نحوه شناسایی کاتالیزور در شیمی هیدروژنه کردن روغن نباتی تولید اتیلن با هیدرودیمریزاسیون متان

سرعت واکنش های شیمیایی می تواند در حضور مواد مختلفی که معرف نیستند و بخشی از محصولات واکنش نیستند، به شدت افزایش یابد. این پدیده قابل توجه نامیده می شود کاتالیزور(از یونانی "کاتالیز" - تخریب). ماده ای که حضور آن در مخلوط باعث افزایش سرعت واکنش می شود کاتالیزور.مقدار آن قبل و بعد از واکنش بدون تغییر باقی می ماند. کاتالیزورها هیچ کلاس خاصی از مواد را نشان نمی دهند. در واکنش‌های مختلف، فلزات، اکسیدها، اسیدها، نمک‌ها و ترکیبات پیچیده می‌توانند اثر کاتالیزوری از خود نشان دهند. واکنش های شیمیایی در سلول های زنده تحت کنترل پروتئین های کاتالیزوری به نام آنزیم هاکاتالیزور باید به عنوان یک عامل واقعا شیمیایی در افزایش سرعت واکنش های شیمیایی در نظر گرفته شود، زیرا کاتالیزور مستقیماً در واکنش دخالت دارد. کاتالیز اغلب ابزاری قدرتمندتر و کم خطرتر برای تسریع واکنش نسبت به افزایش دما است. این به وضوح با مثال واکنش های شیمیایی در موجودات زنده نشان داده می شود. واکنش‌هایی مانند هیدرولیز پروتئین‌ها، که در آزمایشگاه‌ها باید با حرارت دادن طولانی‌مدت تا دمای جوش انجام شود، در طی فرآیند هضم بدون حرارت دادن در دمای بدن رخ می‌دهد.

پدیده کاتالیز برای اولین بار توسط شیمیدان فرانسوی L. J. Tenard (1777-1857) در سال 1818 مشاهده شد. او کشف کرد که اکسیدهای برخی از فلزات، هنگامی که به محلول پراکسید هیدروژن اضافه می شوند، باعث تجزیه آن می شوند. این آزمایش را می توان با افزودن کریستال های پرمنگنات پتاسیم به محلول 3 درصد پراکسید هیدروژن به راحتی بازتولید کرد. نمک KMn0 4 به Mn0 2 تبدیل می شود و اکسیژن به سرعت از محلول تحت تأثیر اکسید آزاد می شود:

اثر مستقیم کاتالیزور بر سرعت واکنش با کاهش انرژی فعال سازی همراه است. در دمای معمولی آیا کاهش وجود دارد؟ و با 20 کیلوژول بر مول ثابت سرعت را تقریباً 3000 برابر افزایش می دهد. تنزل رتبه ای الممکن است بسیار قوی تر باشد با این حال، کاهش انرژی فعال سازی یک تظاهرات خارجی از عمل کاتالیزور است. واکنش با یک مقدار مشخص مشخص می شود E. vکه تنها در صورتی می تواند تغییر کند که خود واکنش تغییر کند. در حین دادن محصولات مشابه، واکنش با مشارکت ماده اضافه شده مسیر متفاوتی را طی مراحل دیگر و با انرژی فعال سازی متفاوت طی می کند. اگر در این مسیر جدید انرژی فعال سازی کمتر و واکنش سریعتر باشد، می گوییم این ماده یک کاتالیزور است.

کاتالیزور با یکی از معرف‌ها برهمکنش می‌کند و ترکیبی میانی را تشکیل می‌دهد. در یکی از مراحل بعدی واکنش، کاتالیزور بازسازی می شود - واکنش را به شکل اصلی خود ترک می کند. معرف‌هایی که در واکنش کاتالیزوری شرکت می‌کنند، به کندی و بدون مشارکت کاتالیزور به تعامل با یکدیگر ادامه می‌دهند. بنابراین، واکنش‌های کاتالیزوری متعلق به یک نوع واکنش پیچیده به نام واکنش‌های سری-موازی است. در شکل شکل 11.8 وابستگی ثابت سرعت به غلظت کاتالیست را نشان می دهد. نمودار وابستگی از صفر عبور نمی کند، زیرا در غیاب کاتالیزور واکنش متوقف نمی شود.

برنج. 11.8.

ثابت مشاهده شد کبا جمع بیان می شود k u+ & k c(K)

مثال 11.5. در دمای 500- درجه سانتیگراد، واکنش اکسیداسیون اکسید گوگرد (1U)

که یکی از مراحل تولید صنعتی اسید سولفوریک است، بسیار کند پیش می رود. افزایش بیشتر دما غیرقابل قبول است، زیرا تعادل به سمت چپ تغییر می کند (واکنش گرمازا است) و بازده محصول بیش از حد کاهش می یابد. اما این واکنش توسط کاتالیزورهای مختلفی تسریع می شود که یکی از آنها ممکن است اکسید نیتریک (N) باشد. ابتدا کاتالیزور با اکسیژن واکنش می دهد:

و سپس اتم اکسیژن را به اکسید گوگرد (1U) منتقل می کند:

این محصول نهایی واکنش را تشکیل می دهد و کاتالیزور را بازسازی می کند. واکنش اکنون این فرصت را دارد که در امتداد مسیر جدیدی جریان یابد، که در آن ثابت های سرعت به طور قابل توجهی افزایش یافته است:

نمودار زیر هر دو مسیر فرآیند اکسیداسیون S0 2 را نشان می دهد. در غیاب کاتالیزور، واکنش فقط در طول مسیر آهسته و در حضور کاتالیزور از طریق هر دو انجام می شود.

دو نوع کاتالیز وجود دارد - همگنو ناهمگون.در حالت اول، کاتالیزور و معرف ها یک سیستم همگن را به شکل مخلوط گاز یا محلول تشکیل می دهند. نمونه ای از اکسیداسیون اکسید گوگرد، کاتالیز همگن است. سرعت یک واکنش کاتالیزوری همگن به غلظت واکنش دهنده ها و غلظت کاتالیزور بستگی دارد.

در کاتالیز ناهمگن، کاتالیزور یک ماده جامد به شکل خالص یا تکیه گاه است حامل.به عنوان مثال، پلاتین به عنوان یک کاتالیزور می تواند بر روی آزبست، اکسید آلومینیوم و غیره ثابت شود. مولکول های واکنش دهنده از یک گاز یا محلول در نقاط خاصی از سطح کاتالیزور - مراکز فعال جذب (جذب) می شوند و در همان زمان فعال می شوند. پس از تبدیل شیمیایی، مولکول های محصول حاصل از سطح کاتالیزور واجذب می شوند. اعمال تبدیل ذرات در مراکز فعال تکرار می شود. در میان عوامل دیگر، سرعت یک واکنش کاتالیزوری ناهمگن به مساحت سطح ماده کاتالیزوری بستگی دارد.

کاتالیز ناهمگن به ویژه به طور گسترده در صنعت استفاده می شود. این با سهولت انجام یک فرآیند کاتالیزوری پیوسته هنگامی که مخلوطی از معرف ها از طریق یک دستگاه تماس با یک کاتالیزور عبور می کند توضیح داده می شود.

کاتالیزورها به صورت انتخابی عمل می‌کنند و نوع بسیار خاصی از واکنش یا حتی یک واکنش جداگانه را تسریع می‌کنند و بدون اینکه روی دیگران تأثیر بگذارند. این اجازه می دهد تا از کاتالیزورها نه تنها برای سرعت بخشیدن به واکنش ها، بلکه برای تبدیل هدفمند مواد اولیه به محصولات مورد نظر استفاده شود. متان و آب در دمای 450 درجه سانتیگراد روی کاتالیزور Fe 2 0 3 به دی اکسید کربن و هیدروژن تبدیل می شوند:

همین مواد در دمای 850 درجه سانتیگراد روی سطح نیکل واکنش می دهند و مونوکسید کربن (II) و هیدروژن را تشکیل می دهند:

کاتالیز یکی از آن حوزه های شیمی است که هنوز نمی توان پیش بینی های نظری دقیقی در آن انجام داد. تمام کاتالیزورهای صنعتی برای فرآوری فرآورده های نفتی، گاز طبیعی، تولید آمونیاک و بسیاری دیگر بر اساس تحقیقات تجربی کار فشرده و زمان بر توسعه یافته اند.

توانایی کنترل سرعت فرآیندهای شیمیایی در فعالیت اقتصادی انسان بسیار ارزشمند است. هنگام تولید صنعتی محصولات شیمیایی معمولاً باید سرعت فرآیندهای شیمیایی فناورانه را افزایش داد و در هنگام ذخیره سازی محصولات باید سرعت تجزیه یا قرار گرفتن در معرض اکسیژن، آب و غیره را کاهش داد. مواد شناخته شده ای وجود دارد که می تواند واکنش های شیمیایی را کاهش دهد. آنها نامیده می شوند مهار کننده ها، یا کاتالیزورهای منفیبازدارنده ها اساساً با کاتالیزورهای واقعی متفاوت هستند زیرا با گونه های فعال (رادیکال های آزاد) واکنش می دهند که به دلایلی در ماده یا محیط آن ایجاد می شوند و باعث تجزیه و واکنش های اکسیداسیون ارزشمند می شوند. مهارکننده ها به تدریج مصرف می شوند و اثر محافظتی خود را متوقف می کنند. مهم ترین نوع مهارکننده ها آنتی اکسیدان ها هستند که از مواد مختلف در برابر قرار گرفتن در معرض اکسیژن محافظت می کنند.

همچنین شایان ذکر است آنچه را که با کمک کاتالیزورها نمی توان به دست آورد. آنها فقط قادر به تسریع واکنش های خود به خودی هستند. اگر واکنش خود به خود رخ ندهد، کاتالیزور قادر به افزایش سرعت آن نخواهد بود. به عنوان مثال، هیچ کاتالیزوری نمی تواند باعث تجزیه آب به هیدروژن و اکسیژن شود. این فرآیند فقط با الکترولیز انجام می شود که نیاز به کار الکتریکی دارد.

کاتالیزورها همچنین می توانند فرآیندهای نامطلوب را فعال کنند. در دهه های اخیر، تخریب تدریجی لایه ازن جو در ارتفاع 20-25 کیلومتری رخ داده است. فرض بر این است که مواد خاصی در تجزیه ازن دخیل هستند، مانند هیدروکربن های هالوژنه منتشر شده در اتمسفر توسط شرکت های صنعتی و آنهایی که برای مصارف خانگی استفاده می شوند.

کاتالیزورها به دو دسته تقسیم می شوند همگنو ناهمگون. یک کاتالیزور همگن با مواد واکنش دهنده در همان فاز است، یک کاتالیزور ناهمگن یک فاز مستقل را تشکیل می دهد که توسط یک رابط از فازی که در آن مواد واکنش دهنده قرار دارند جدا می شود. کاتالیزورهای همگن معمولی اسیدها و بازها هستند. فلزات، اکسیدها و سولفیدهای آنها به عنوان کاتالیزورهای ناهمگن استفاده می شوند.

واکنش هایی از یک نوع می تواند با کاتالیزورهای همگن و ناهمگن رخ دهد. بنابراین، همراه با محلول های اسیدی، جامد Al 2 O 3، TiO 2، ThO 2، آلومینوسیلیکات ها و زئولیت هایی با خواص اسیدی استفاده می شود. کاتالیزورهای ناهمگن با خواص اساسی: CaO، BaO، MgO.

کاتالیزورهای ناهمگن، به عنوان یک قاعده، دارای سطح بسیار توسعه یافته ای هستند که برای آن بر روی یک حامل بی اثر (سیلیکاژل، اکسید آلومینیوم، کربن فعال و غیره) توزیع می شوند.

برای هر نوع واکنش، فقط کاتالیزورهای خاصی موثر هستند. علاوه بر مواردی که قبلا ذکر شد اسید-باز، کاتالیزورها وجود دارد کاهش اکسیداسیون; آنها با حضور یک فلز واسطه یا ترکیب آن (Co +3، V 2 O 5 + MoO 3) مشخص می شوند. در این حالت، کاتالیز با تغییر حالت اکسیداسیون فلز واسطه انجام می شود.

بسیاری از واکنش‌ها با استفاده از کاتالیزورهایی انجام می‌شوند که از طریق هماهنگی واکنش‌دهنده‌ها در یک اتم یا یون فلز واسطه (Ti، Rh، Ni) عمل می‌کنند. این کاتالیزور نامیده می شود هماهنگی.

اگر کاتالیزور دارای خواص کایرال باشد، یک محصول فعال نوری از یک بستر غیر فعال نوری به دست می آید.

در علم و فناوری مدرن آنها اغلب استفاده می کنند سیستم های چند کاتالیستیکه هر کدام مراحل مختلف واکنش را سرعت می بخشد. یک کاتالیزور همچنین می تواند سرعت یک مرحله از چرخه کاتالیزوری انجام شده توسط کاتالیزور دیگر را افزایش دهد. اینجا جایی است که "کاتالیز کاتالیز" صورت می گیرد، یا کاتالیزور سطح دوم.

در واکنش های بیوشیمیایی، آنزیم ها نقش کاتالیزور را ایفا می کنند.

کاتالیزورها باید از آغازگرها متمایز شوند. به عنوان مثال، پراکسیدها به رادیکال های آزاد تجزیه می شوند که می توانند واکنش های زنجیره ای رادیکال را آغاز کنند. آغازگرها در طول واکنش مصرف می شوند، بنابراین نمی توان آنها را کاتالیزور در نظر گرفت.

مکانیسم کاتالیزور: 1) خز. گام به گام (تغییر در مسیر واکنش) 2) انجمنی 3) آنزیمی 4) ریزهتروژن

ویژگی کاتالیزوردر این واقعیت نهفته است که در حضور یک کاتالیزور، مسیری که در آن واکنش کلی انجام می شود تغییر می کند، حالات گذار دیگری با انرژی های فعال سازی متفاوت تشکیل می شود و بنابراین سرعت واکنش های شیمیایی نیز تغییر می کند. واکنش ها

فرآوری چوب مستلزم هزینه های تولید بالایی است، بنابراین از کاتالیزورهایی استفاده می شود که فرآیند تبدیل شیمیایی را تسریع می کند، عملکرد محصول را افزایش می دهد و انتشار مواد مضر را کاهش می دهد. مزیت محصول کاتالیزورها این است که به هزینه های زیادی نیاز ندارند.

28. راه حل ها. فرآیندها در طول تشکیل محلول ها. راه حل های ایده آل و واقعی. هیدرات ها و حلال ها.

راه حل ها- سیستم های همگن (همگن)، یعنی هر یک از اجزاء در جرم دیگری به شکل مولکول، اتم یا یون توزیع شده است.

برهمکنش بین حلال و املاح نامیده می شود حل شدن(اگر حلال آب باشد - هیدراتاسیون).

مشخصه انرژی انحلال است گرمای تشکیل راه حل، به عنوان مجموع جبری اثرات حرارتی تمام مراحل درونی و گرمازایی فرآیند در نظر گرفته می شود. مهمترین آنها عبارتند از: فرآیندهای جذب گرما- تخریب شبکه کریستالی، شکستن پیوندهای شیمیایی در مولکول ها. – فرآیندهای تولید گرما- تشکیل محصولات حاصل از برهمکنش یک ماده محلول با یک حلال (هیدرات ها) و غیره.

حلال ها، محصولات افزودن یک حلال به مواد محلول. معمولا حلال ها در یک محلول تشکیل می شوند، اما اغلب (وقتی محلول سرد می شود، حلال تبخیر می شود و غیره) به شکل کریستالی بدست می آید. حلال های فاز بلوری

هیدرات ها محصولات افزودن آب به مواد معدنی و آلی هستند

محتوای مقاله

کاتالیز،تسریع واکنش های شیمیایی تحت تأثیر مقادیر کمی از مواد (کاتالیزورها) که خود در طی واکنش تغییر نمی کنند. فرآیندهای کاتالیزوری نقش بزرگی در زندگی ما دارند. کاتالیزورهای بیولوژیکی به نام آنزیم در تنظیم فرآیندهای بیوشیمیایی نقش دارند. بدون کاتالیزور، بسیاری از فرآیندهای صنعتی نمی توانند انجام شوند.

مهمترین خاصیت کاتالیزورها گزینش پذیری است، یعنی. توانایی افزایش سرعت تنها واکنش های شیمیایی خاص از بسیاری از واکنش های ممکن. این اجازه می دهد تا واکنش هایی که خیلی کند هستند و در شرایط عادی عملی نیستند و تشکیل محصولات مورد نظر را تضمین می کند.

استفاده از کاتالیزورها به توسعه سریع صنایع شیمیایی کمک کرد. آنها به طور گسترده در پالایش نفت، به دست آوردن محصولات مختلف، و ایجاد مواد جدید (به عنوان مثال، پلاستیک)، اغلب ارزان تر از قبل استفاده می شود. تقریباً 90 درصد از تولیدات شیمیایی مدرن مبتنی بر فرآیندهای کاتالیزوری است. فرآیندهای کاتالیزوری نقش ویژه ای در حفاظت از محیط زیست دارند.

اکثر واکنش های کاتالیزوری در فشار و دمای معینی با عبور دادن مخلوط واکنش که در حالت گاز یا مایع است از یک راکتور پر از ذرات کاتالیزور انجام می شود. مفاهیم زیر برای توصیف شرایط واکنش و ویژگی های محصول استفاده می شود. سرعت فضایی حجم گاز یا مایعی است که از یک واحد حجم کاتالیزور در واحد زمان عبور می کند. فعالیت کاتالیستی مقدار واکنش دهنده هایی است که توسط یک کاتالیزور به محصول در واحد زمان تبدیل می شود. تبدیل کسری از یک ماده است که در یک واکنش معین تبدیل می شود. انتخاب پذیری نسبت مقدار یک محصول خاص به مقدار کل محصولات است (معمولاً به صورت درصد بیان می شود). بازده نسبت مقدار یک محصول معین به مقدار ماده اولیه است (معمولاً به صورت درصد بیان می شود). بهره وری تعداد محصولات واکنش تشکیل شده در واحد حجم در واحد زمان است.

انواع کاتالیزور

کاتالیزورها بر اساس ماهیت واکنشی که تسریع می کنند، ترکیب شیمیایی یا خواص فیزیکی آنها طبقه بندی می شوند. تقریباً همه عناصر و مواد شیمیایی به یک درجه یا دیگری دارای خواص کاتالیزوری هستند - به تنهایی یا اغلب در ترکیبات مختلف. بر اساس خواص فیزیکی، کاتالیزورها به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم می شوند. کاتالیزورهای ناهمگن مواد جامدی هستند که به صورت همگن در گاز یا محیط مایع مشابه مواد واکنش دهنده پراکنده شده اند.

بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن حاوی فلزات هستند. برخی از فلزات، به ویژه آنهایی که متعلق به گروه هشتم جدول تناوبی عناصر هستند، به تنهایی دارای فعالیت کاتالیزوری هستند. یک نمونه معمولی پلاتین است. اما اکثر فلزات زمانی که در ترکیبات موجود باشند، خواص کاتالیزوری از خود نشان می دهند. به عنوان مثال - آلومینا (اکسید آلومینیوم Al 2 O 3).

یکی از ویژگی های غیرمعمول بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن، مساحت سطح بزرگ آنهاست. آنها توسط منافذ متعددی نفوذ می کنند که مساحت کل آنها گاهی به 500 متر مربع در هر 1 گرم کاتالیزور می رسد. در بسیاری از موارد، اکسیدهایی با سطح بزرگ به عنوان بستری عمل می کنند که ذرات کاتالیزور فلزی به شکل خوشه های کوچک بر روی آن رسوب می کنند. این امر برهمکنش موثر معرفها در فاز گاز یا مایع با فلز فعال کاتالیزوری را تضمین می کند. دسته خاصی از کاتالیزورهای ناهمگن زئولیت ها هستند - کانی های کریستالی از گروه آلومینوسیلیکات ها (ترکیبات سیلیکون و آلومینیوم). اگرچه بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن دارای مساحت سطح زیادی هستند، اما معمولاً تعداد کمی مکان فعال دارند که بخش کوچکی از کل سطح را تشکیل می دهند. کاتالیزورها ممکن است در حضور مقادیر کمی از ترکیبات شیمیایی به نام سم کاتالیست فعالیت خود را از دست بدهند. این مواد به مراکز فعال متصل می شوند و آنها را مسدود می کنند. تعیین ساختار سایت های فعال موضوع تحقیقات فشرده است.

کاتالیزورهای همگن ماهیت شیمیایی متفاوتی دارند - اسیدها (H2SO4 یا H3PO4)، بازها (NaOH)، آمین های آلی، فلزات، اغلب فلزات واسطه (Fe یا Rh)، به شکل نمک، ترکیبات آلی فلزی یا کربونیل ها کاتالیزورها همچنین شامل آنزیم ها - مولکول های پروتئینی هستند که واکنش های بیوشیمیایی را تنظیم می کنند. محل فعال برخی از آنزیم ها حاوی یک اتم فلز (روی، مس، آهن یا مو) است. آنزیم های حاوی فلز واکنش هایی را که شامل مولکول های کوچک (O 2، CO 2 یا N 2) است کاتالیز می کنند. آنزیم ها فعالیت و گزینش پذیری بسیار بالایی دارند، اما فقط تحت شرایط خاصی مانند شرایطی که تحت آن واکنش ها در موجودات زنده رخ می دهد، کار می کنند. در صنعت، به اصطلاح اغلب استفاده می شود. آنزیم های بی حرکت

کاتالیزورها چگونه کار می کنند

انرژی.

هر واکنش شیمیایی تنها در صورتی می تواند رخ دهد که واکنش دهنده ها بر سد انرژی غلبه کنند و برای این کار باید انرژی خاصی را بدست آورند. همانطور که قبلاً گفتیم، واکنش کاتالیزوری X ® Y شامل تعدادی مرحله متوالی است. هر کدام از آنها برای تحقق نیاز به انرژی دارند. E، انرژی فعال سازی نامیده می شود. تغییر انرژی در امتداد مختصات واکنش در شکل 1 نشان داده شده است. 1.

اجازه دهید ابتدا مسیر غیر کاتالیزوری و "حرارتی" را در نظر بگیریم. برای انجام یک واکنش، انرژی پتانسیل مولکول X باید از سد انرژی تجاوز کند Eواکنش کاتالیزوری شامل سه مرحله است. اولین مورد تشکیل مجموعه X-Cat است. (شیمیایی)، که انرژی فعال سازی آن برابر است Eتبلیغات مرحله دوم، گروه بندی مجدد X-Cat است. ® Y-Cat. با انرژی فعال سازی Eگربه، و در نهایت، سوم - دفع با انرژی فعال سازی E des; Eتبلیغات، Eگربه و Eبسیار کمتر Eاز آنجایی که سرعت واکنش به طور تصاعدی به انرژی فعال سازی بستگی دارد، واکنش کاتالیزوری بسیار سریعتر از واکنش حرارتی در یک دمای معین انجام می شود.

یک کاتالیزور را می توان به راهنمایی تشبیه کرد که کوهنوردان (مولکول های واکنش دهنده) را در سراسر یک رشته کوه هدایت می کند. او یک گروه را از طریق پاس هدایت می کند و سپس برای گروه بعدی باز می گردد. مسیر عبوری به طور قابل توجهی پایین تر از مسیر عبوری از قله (کانال حرارتی واکنش) است و گروه انتقال را سریعتر از بدون هادی (کاتالیزور) انجام می دهد. حتی ممکن است این گروه به تنهایی قادر به غلبه بر یال نباشد.

نظریه های کاتالیزور

برای توضیح مکانیسم واکنش های کاتالیزوری، سه گروه نظریه هندسی، الکترونیکی و شیمیایی ارائه شده است. در تئوری های هندسی، توجه اصلی به تناظر بین پیکربندی هندسی اتم های مراکز فعال کاتالیزور و اتم های آن قسمت از مولکول های واکنش دهنده است که وظیفه اتصال به کاتالیزور را بر عهده دارد. تئوری های الکترونیکی بر این ایده مبتنی هستند که جذب شیمیایی ناشی از تعامل الکترونیکی مرتبط با انتقال بار است، به عنوان مثال. این نظریه ها فعالیت کاتالیزوری را به خواص الکترونیکی کاتالیزور مرتبط می کنند. تئوری شیمیایی کاتالیزور را به عنوان یک ترکیب شیمیایی با خواص مشخص می بیند که پیوندهای شیمیایی را با معرف ها تشکیل می دهد و در نتیجه یک کمپلکس انتقالی ناپایدار تشکیل می دهد. پس از تجزیه کمپلکس با انتشار محصولات، کاتالیزور به حالت اولیه خود باز می گردد. نظریه اخیر در حال حاضر کافی ترین تئوری در نظر گرفته می شود.

در سطح مولکولی، یک واکنش کاتالیزوری فاز گاز را می توان به صورت زیر نشان داد. یکی از مولکول‌های واکنش‌دهنده به محل فعال کاتالیزور متصل می‌شود و دیگری با آن تعامل می‌کند و مستقیماً در فاز گاز قرار دارد. یک مکانیسم جایگزین نیز امکان پذیر است: مولکول های واکنش دهنده در مراکز فعال مجاور کاتالیزور جذب می شوند و سپس با یکدیگر تعامل می کنند. ظاهراً بیشتر واکنش‌های کاتالیزوری به این شکل است.

مفهوم دیگری نشان می دهد که بین آرایش فضایی اتم ها بر روی سطح یک کاتالیزور و فعالیت کاتالیزوری آن رابطه وجود دارد. سرعت برخی از فرآیندهای کاتالیزوری، از جمله بسیاری از واکنش‌های هیدروژناسیون، به موقعیت نسبی اتم‌های فعال کاتالیزوری روی سطح بستگی ندارد. برعکس، سرعت سایرین با تغییر در پیکربندی فضایی اتم‌های سطح به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. به عنوان مثال، ایزومریزاسیون نئوپنتان به ایزوپنتان و ترک خوردگی همزمان آن به ایزوبوتان و متان در سطح یک کاتالیزور Pt-Al 2 O 3 است.

کاربرد کاتالیزور در صنعت

رشد سریع صنعتی که اکنون در حال تجربه آن هستیم بدون توسعه فناوری های شیمیایی جدید امکان پذیر نبود. تا حد زیادی، این پیشرفت با استفاده گسترده از کاتالیزورها مشخص می شود که به کمک آنها مواد خام با عیار پایین به محصولات با ارزش بالا تبدیل می شوند. به بیان تصویری، یک کاتالیزور سنگ فیلسوف یک کیمیاگر مدرن است، فقط سرب را به طلا تبدیل نمی کند، بلکه مواد خام را به دارو، پلاستیک، مواد شیمیایی، سوخت، کود و سایر محصولات مفید تبدیل می کند.

شاید اولین فرآیند کاتالیزوری که انسان یاد گرفت از آن استفاده کند تخمیر بود. دستور تهیه نوشیدنی های الکلی در 3500 سال قبل از میلاد برای سومری ها شناخته شده بود. سانتی متر. شراب؛ آبجو.

یک نقطه عطف مهم در کاربرد عملی کاتالیز، تولید مارگارین با هیدروژنه کردن کاتالیزوری روغن نباتی بود. این واکنش برای اولین بار در مقیاس صنعتی در حدود سال 1900 انجام شد. و از دهه 1920، روش های کاتالیزوری برای تولید مواد آلی جدید، در درجه اول پلاستیک، یکی پس از دیگری توسعه یافته است. نکته کلیدی تولید کاتالیزوری الفین ها، نیتریل ها، استرها، اسیدها و غیره بود. - "آجر" برای "ساخت" شیمیایی پلاستیک.

موج سوم استفاده صنعتی از فرآیندهای کاتالیزوری در دهه 1930 رخ داد و با پالایش نفت همراه بود. از نظر حجم، این تولید به زودی بقیه را به مراتب پشت سر گذاشت. پالایش نفت شامل چندین فرآیند کاتالیزوری است: کراکینگ، رفرمینگ، هیدروسولفوناسیون، هیدروکراکینگ، ایزومریزاسیون، پلیمریزاسیون و آلکیلاسیون.

در نهایت، موج چهارم در استفاده از کاتالیزور مربوط به حفاظت از محیط زیست است. معروف ترین دستاورد در این زمینه ایجاد مبدل کاتالیزوری برای گازهای خروجی خودرو است. مبدل های کاتالیزوری که از سال 1975 در خودروها نصب شده اند، نقش زیادی در بهبود کیفیت هوا و در نتیجه نجات جان افراد زیادی داشته اند.

حدود دوازده جایزه نوبل برای کار در کاتالیزور و زمینه های مرتبط اعطا شده است.

اهمیت عملی فرآیندهای کاتالیزوری با این واقعیت مشهود است که سهم نیتروژن موجود در ترکیبات نیتروژن دار صنعتی تولید شده حدود نیمی از کل نیتروژن موجود در محصولات غذایی را تشکیل می دهد. مقدار ترکیبات نیتروژن تولید شده به طور طبیعی محدود است، بنابراین تولید پروتئین جیره به مقدار نیتروژن اضافه شده به خاک از طریق کودها بستگی دارد. تغذیه نیمی از بشریت بدون آمونیاک مصنوعی، که تقریباً منحصراً از طریق فرآیند کاتالیزوری هابر-بوش تولید می شود، غیرممکن خواهد بود.

دامنه کاربرد کاتالیزورها به طور مداوم در حال گسترش است. همچنین مهم است که کاتالیزور می تواند کارایی فناوری های توسعه یافته قبلی را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. به عنوان مثال، بهبود در ترک خوردگی کاتالیزوری از طریق استفاده از زئولیت ها است.

هیدروژناسیون

تعداد زیادی از واکنش های کاتالیزوری با فعال شدن یک اتم هیدروژن و برخی مولکول های دیگر همراه است که منجر به برهمکنش شیمیایی آنها می شود. این فرآیند هیدروژناسیون نامیده می شود و زیربنای بسیاری از مراحل پالایش نفت و تولید سوخت مایع از زغال سنگ (فرایند برگیوس) است.

تولید بنزین هواپیما و سوخت موتور از زغال سنگ در آلمان در طول جنگ جهانی دوم توسعه یافت زیرا این کشور هیچ میدان نفتی نداشت. فرآیند Bergius شامل افزودن مستقیم هیدروژن به زغال سنگ است. زغال سنگ تحت فشار در حضور هیدروژن گرم می شود تا محصول مایع تولید شود و سپس به بنزین هواپیما و سوخت موتور تبدیل می شود. از اکسید آهن به عنوان کاتالیزور و همچنین کاتالیزورهای مبتنی بر قلع و مولیبدن استفاده می شود. در طول جنگ، 12 کارخانه در آلمان تقریباً 1400 تن سوخت مایع در روز با استفاده از فرآیند Bergius تولید می کردند.

فرآیند دیگر، فیشر-تروپش، شامل دو مرحله است. ابتدا زغال سنگ گازی می شود، یعنی. آنها با بخار آب و اکسیژن واکنش داده و مخلوطی از هیدروژن و اکسید کربن به دست می آورند. این مخلوط با استفاده از کاتالیزورهای حاوی آهن یا کبالت به سوخت مایع تبدیل می شود. با پایان جنگ، تولید سوخت مصنوعی از زغال سنگ در آلمان متوقف شد.

در نتیجه افزایش قیمت نفت که پس از تحریم نفتی 1973-1974 انجام شد، تلاش‌های شدیدی برای توسعه یک روش اقتصادی مناسب برای تولید بنزین از زغال سنگ انجام شد. بنابراین، مایع سازی مستقیم زغال سنگ را می توان با استفاده از یک فرآیند دو مرحله ای که در آن زغال سنگ ابتدا با یک کاتالیزور آلومینیوم-کبالت-مولیبدن در دمای نسبتاً پایین و سپس در دمای بالاتر تماس می گیرد، کارآمدتر انجام داد. هزینه چنین بنزین مصنوعی بالاتر از بنزین به دست آمده از نفت است.

آمونیاک.

یکی از ساده ترین فرآیندهای هیدروژناسیون از دیدگاه شیمیایی، سنتز آمونیاک از هیدروژن و نیتروژن است. نیتروژن یک ماده بسیار بی اثر است. برای شکستن پیوند N-N در مولکول آن، انرژی حدود 200 کیلوکالری در مول مورد نیاز است. با این حال، نیتروژن در حالت اتمی به سطح کاتالیزور آهن متصل می شود و این تنها به 20 کیلو کالری در مول نیاز دارد. هیدروژن با سرعت بیشتری به آهن متصل می شود. سنتز آمونیاک به شرح زیر انجام می شود:

این مثال توانایی یک کاتالیزور برای تسریع هر دو واکنش رو به جلو و معکوس را به طور مساوی نشان می دهد، به عنوان مثال. این واقعیت که کاتالیزور موقعیت تعادل یک واکنش شیمیایی را تغییر نمی دهد.

هیدروژنه کردن روغن نباتی

یکی از مهم ترین واکنش های هیدروژنه شدن از نظر عملی، هیدروژنه شدن ناقص روغن های گیاهی به مارگارین، روغن پخت و پز و سایر محصولات غذایی است. روغن های گیاهی از دانه های سویا، دانه های پنبه و سایر محصولات به دست می آیند. آنها حاوی استرها، یعنی تری گلیسیرید اسیدهای چرب با درجات مختلف غیر اشباع هستند. اسید اولئیک CH 3 (CH 2) 7 CH=CH(CH 2) 7 COOH دارای یک پیوند دوگانه C=C، اسید لینولئیک دارای دو و اسید لینولنیک دارای سه پیوند است. افزودن هیدروژن برای شکستن این پیوند از اکسید شدن (ترشیدگی) روغن ها جلوگیری می کند. این باعث افزایش نقطه ذوب آنها می شود. سختی اکثر محصولات حاصل به درجه هیدروژنه شدن بستگی دارد. هیدروژناسیون در حضور پودر نیکل ریز که بر روی یک بستر یا یک کاتالیزور نیکل رینی در اتمسفر هیدروژن بسیار خالص قرار گرفته است انجام می شود.

هیدروژن زدایی

هیدروژن زدایی همچنین یک واکنش کاتالیزوری مهم صنعتی است، اگرچه مقیاس کاربرد آن به طور غیرقابل مقایسه کوچکتر است. با کمک آن، به عنوان مثال، استایرن، یک مونومر مهم، به دست می آید. برای انجام این کار، اتیل بنزن در حضور یک کاتالیزور حاوی اکسید آهن هیدروژنه می شود. واکنش نیز توسط پتاسیم و نوعی تثبیت کننده ساختاری تسهیل می شود. هیدروژن زدایی پروپان، بوتان و سایر آلکان ها در مقیاس صنعتی انجام می شود. هیدروژن زدایی بوتان در حضور کاتالیزور کروم آلومینا باعث تولید بوتن و بوتادین می شود.

کاتالیز اسیدی

فعالیت کاتالیزوری دسته بزرگی از کاتالیزورها توسط خواص اسیدی آنها تعیین می شود. به گفته I. Brønsted و T. Lowry، اسید ترکیبی است که قادر به اهدای یک پروتون است. اسیدهای قوی به راحتی پروتون های خود را به بازها اهدا می کنند. مفهوم اسیدیته بیشتر در آثار G. Lewis توسعه یافت، که اسید را به عنوان ماده ای تعریف کرد که قادر به پذیرش یک جفت الکترون از یک ماده دهنده با تشکیل یک پیوند کووالانسی به دلیل اجتماعی شدن این جفت الکترون است. این ایده‌ها، همراه با ایده‌هایی درباره واکنش‌هایی که یون‌های کربنیوم تولید می‌کنند، به درک مکانیسم انواع واکنش‌های کاتالیزوری، به‌ویژه واکنش‌هایی که شامل هیدروکربن‌ها هستند، کمک کرد.

قدرت یک اسید را می توان با استفاده از مجموعه ای از بازهایی که با اضافه شدن پروتون تغییر رنگ می دهند، تعیین کرد. به نظر می رسد که برخی از کاتالیزورهای مهم صنعتی مانند اسیدهای بسیار قوی عمل می کنند. اینها شامل یک کاتالیزور فرآیند فریدل کرافت، مانند HCl-AlCl 2 O 3 (یا HAlCl 4) و آلومینوسیلیکات ها است. قدرت اسیدی یک مشخصه بسیار مهم است زیرا سرعت پروتونه شدن را تعیین می کند، مرحله ای کلیدی در فرآیند کاتالیز اسید.

فعالیت کاتالیزورهایی مانند آلومینوسیلیکاتها که در کراکینگ روغن استفاده می شود، با وجود اسیدهای برونستد و لوئیس بر روی سطح آنها تعیین می شود. ساختار آنها شبیه به ساختار سیلیس (دی اکسید سیلیکون) است که در آن برخی از اتم های Si 4+ با اتم های Al 3+ جایگزین می شوند. بار منفی اضافی که در این حالت ایجاد می شود می تواند توسط کاتیون های مربوطه خنثی شود. اگر کاتیون ها پروتون باشند، آلومینوسیلیکات مانند اسید برونستد رفتار می کند:

فعالیت کاتالیزورهای اسیدی با توانایی آنها در واکنش با هیدروکربن ها برای تشکیل یون کربنیوم به عنوان یک محصول میانی تعیین می شود. یون های آلکیل کربنیوم حاوی یک اتم کربن با بار مثبت است که به سه گروه آلکیل و/یا اتم های هیدروژن پیوند دارد. آنها نقش مهمی را به عنوان واسطه های تشکیل شده در بسیاری از واکنش های مربوط به ترکیبات آلی ایفا می کنند. مکانیسم عمل کاتالیزورهای اسیدی را می توان با استفاده از مثال واکنش ایزومریزاسیون نشان داد n-بوتان به ایزوبوتان در حضور HCl-AlCl3 یا Pt-Cl-Al2O3. ابتدا مقدار کمی از الفین C4H8 به یون هیدروژن با بار مثبت کاتالیزور اسیدی متصل می شود تا یک یون کربنیوم سوم را تشکیل دهد. سپس یون هیدرید H با بار منفی از آن جدا می شود nبوتان برای تشکیل ایزوبوتان و یون بوتیل کاربنیوم ثانویه. دومی در نتیجه بازآرایی به یون کربنیوم سوم تبدیل می شود. این زنجیره می تواند با حذف یک یون هیدرید از مولکول بعدی ادامه یابد n-بوتان و غیره:

قابل توجه است که یون های کربنیوم سوم پایدارتر از یون های اولیه یا ثانویه هستند. در نتیجه عمدتاً در سطح کاتالیزور وجود دارند و بنابراین محصول اصلی ایزومریزاسیون بوتان ایزوبوتان است.

کاتالیزورهای اسیدی به طور گسترده در پالایش نفت - کراکینگ، آلکیلاسیون، پلیمریزاسیون و ایزومریزاسیون هیدروکربن ها استفاده می شوند. مکانیسم عمل یون های کربنیوم که نقش کاتالیزور را در این فرآیندها ایفا می کنند، مشخص شده است. در انجام این کار، آنها در تعدادی از واکنش‌ها شرکت می‌کنند، از جمله تشکیل مولکول‌های کوچک با برش مولکول‌های بزرگ، ترکیب مولکول‌ها (الفین به الفین یا الفین به ایزوپارافین)، بازآرایی ساختاری با ایزومریزاسیون، و تشکیل پارافین‌ها و آروماتیک. هیدروکربن ها با انتقال هیدروژن

یکی از آخرین کاربردهای کاتالیز اسیدی در صنعت، تولید سوخت های سرب دار با افزودن الکل به ایزوبوتیلن یا ایزوآمیلن است. افزودن ترکیبات حاوی اکسیژن به بنزین باعث کاهش غلظت مونوکسید کربن در گازهای خروجی می شود. متیل مالشبوتیل اتر (MTBE) با عدد اختلاط اکتان 109 نیز امکان به دست آوردن سوخت با اکتان بالا برای کارکرد موتور خودرو با نسبت تراکم بالا را بدون وارد کردن سرب تترااتیل به بنزین می‌دهد. تولید سوخت با اعداد اکتانی 102 و 111 نیز ساماندهی شده است.

کاتالیز پایه

فعالیت کاتالیزورها با خواص اساسی آنها تعیین می شود. یک نمونه قدیمی و شناخته شده از این گونه کاتالیزورها، هیدروکسید سدیم است که برای هیدرولیز یا صابون سازی چربی ها برای ساخت صابون استفاده می شود و یکی از نمونه های اخیر کاتالیزورهایی است که در تولید پلاستیک های پلی یورتان و فوم ها استفاده می شود. اورتان از واکنش الکل با ایزوسیانات تشکیل می شود و این واکنش در حضور آمین های بازی تسریع می شود. در حین واکنش، یک باز به اتم کربن موجود در مولکول ایزوسیانات متصل می شود که در نتیجه بار منفی روی اتم نیتروژن ظاهر می شود و فعالیت آن نسبت به الکل افزایش می یابد. تری اتیلن دی آمین یک کاتالیزور موثر است. پلاستیک های پلی اورتان از واکنش دی ایزوسیانات ها با پلی ال ها (پلی الکل ها) تولید می شوند. هنگامی که ایزوسیانات با آب واکنش می دهد، یورتان تشکیل شده قبلی تجزیه می شود و CO2 آزاد می کند. هنگامی که مخلوطی از پلی الکل ها و آب با دی ایزوسیانات ها برهمکنش می کند، فوم پلی اورتان حاصل با گاز CO 2 کف می کند.

کاتالیزورهای دو اثره

این کاتالیزورها دو نوع واکنش را سرعت می بخشند و نتایج بهتری نسبت به عبور واکنش دهنده ها به صورت سری از دو راکتور که هر یک فقط یک نوع کاتالیزور دارند، تولید می کنند. این به دلیل این واقعیت است که مکان های فعال یک کاتالیزور دو اثر بسیار نزدیک به یکدیگر هستند و محصول میانی تشکیل شده در یکی از آنها بلافاصله به محصول نهایی در دیگری تبدیل می شود.

یک نتیجه خوب با ترکیب یک کاتالیزور که هیدروژن را فعال می کند با یک کاتالیزور که ایزومریزاسیون هیدروکربن ها را ترویج می کند به دست می آید. فعال شدن هیدروژن توسط برخی فلزات و ایزومریزاسیون هیدروکربن ها توسط اسیدها انجام می شود. یک کاتالیزور موثر دو اثر که در پالایش نفت برای تبدیل نفتا به بنزین استفاده می شود، پلاتین ریز تقسیم شده روی آلومینا اسیدی است. تبدیل ترکیبات نفتا مانند متیل سیکلوپنتان (MCP) به بنزن باعث افزایش عدد اکتان بنزین می شود. ابتدا، MCP بر روی قسمت پلاتین کاتالیزور به یک الفین با همان اسکلت کربنی تبدیل می شود. سپس الفین به قسمت اسیدی کاتالیزور می رود و در آنجا به سیکلوهگزن ایزومر می شود. دومی به قسمت پلاتین می رود و هیدروژنه به بنزن و هیدروژن می شود.

کاتالیزورهای دوگانه به طور قابل توجهی اصلاح نفت را تسریع می کنند. آنها برای ایزومریزاسیون پارافین های معمولی به ایزوپارافین استفاده می شوند. دومی که در همان دماهایی می‌جوشد که کسرهای بنزینی می‌جوشند، زیرا دارای عدد اکتان بالاتری نسبت به هیدروکربن‌های مستقیم هستند. علاوه بر این، تحول nبوتان به ایزوبوتان با هیدروژن زدایی همراه است و تولید MTBE را تسهیل می کند.

پلیمریزاسیون استریو اختصاصی

یک نقطه عطف مهم در تاریخ کاتالیز، کشف پلیمریزاسیون کاتالیزوری بود آالفین ها برای تشکیل پلیمرهای stereoreregular. کاتالیزورهای پلیمریزاسیون استریو اختصاصی توسط کی. شیمیدان دیگری، جی. ناتا، پیشنهاد کرد که منحصر به فرد بودن پلیمرهای زیگلر با نظم کلیشه ای آنها تعیین می شود. آزمایشات پراش اشعه ایکس نشان داده است که پلیمرهای تهیه شده از پروپیلن در حضور کاتالیزورهای زیگلر بسیار کریستالی هستند و در واقع ساختاری منظم دارند. برای توصیف چنین ساختارهای منظمی، ناتا اصطلاحات "ایزوتاکتیک" و "سیندیوتاکتیک" را معرفی کرد. در مواردی که نظم وجود نداشته باشد، از اصطلاح "اتاکتیک" استفاده می شود:

یک واکنش استریو اختصاصی روی سطح کاتالیزورهای جامد حاوی فلزات واسطه گروه های IVA-VIII (مانند Ti، V، Cr، Zr) که در حالت نیمه اکسید شده هستند و هر ترکیب حاوی کربن یا هیدروژن که به آن پیوند دارد، رخ می دهد. فلز از گروه I-III. یک مثال کلاسیک از چنین کاتالیزوری، رسوب تشکیل شده از برهمکنش TiCl 4 و Al(C 2 H 5) 3 در هپتان است که در آن تیتانیوم به حالت سه ظرفیتی کاهش می یابد. این سیستم فوق العاده فعال پلیمریزاسیون پروپیلن را در دماها و فشارهای معمولی کاتالیز می کند.

اکسیداسیون کاتالیزوری

استفاده از کاتالیزورها برای کنترل شیمی فرآیندهای اکسیداسیون از اهمیت علمی و عملی بالایی برخوردار است. در برخی موارد، اکسیداسیون باید کامل باشد، برای مثال هنگام خنثی کردن آلاینده‌های CO و هیدروکربنی در گازهای خروجی خودرو. با این حال، اغلب لازم است که اکسیداسیون ناقص باشد، به عنوان مثال، در بسیاری از فرآیندهای صنعتی پرکاربرد برای تبدیل هیدروکربن ها به محصولات واسطه ای ارزشمند حاوی گروه های عاملی مانند -CHO، -COOH، -C-CO، -CN. در این مورد از کاتالیزورهای همگن و ناهمگن استفاده می شود. نمونه ای از یک کاتالیزور همگن یک کمپلکس فلزی واسطه است که برای اکسیداسیون استفاده می شود جفت- زایلن به اسید ترفتالیک، استرهای آن به عنوان پایه ای برای تولید الیاف پلی استر عمل می کنند.

کاتالیزورهای اکسیداسیون ناهمگن

این کاتالیزورها معمولاً اکسیدهای جامد پیچیده هستند. اکسیداسیون کاتالیزوری در دو مرحله انجام می شود. ابتدا اکسیژن موجود در اکسید توسط یک مولکول هیدروکربنی جذب شده در سطح اکسید جذب می شود. در این حالت، هیدروکربن اکسید می شود و اکسید کاهش می یابد. اکسید احیا شده با اکسیژن واکنش داده و به حالت اولیه خود باز می گردد. با استفاده از کاتالیزور وانادیوم، انیدرید فتالیک با اکسیداسیون ناقص نفتالین یا بوتان به دست می آید.

تولید اتیلن با هیدرودیمریزاسیون متان.

سنتز اتیلن از طریق دی هیدرودیمریزاسیون، گاز طبیعی را به هیدروکربن های قابل حمل آسان تر تبدیل می کند. واکنش 2CH 4 + 2O 2 ® C 2 H 4 + 2H 2 O در 850 درجه سانتیگراد با استفاده از کاتالیزورهای مختلف انجام می شود. بهترین نتایج با کاتالیزور Li-MgO به دست آمد. احتمالاً واکنش از طریق تشکیل یک رادیکال متیل توسط انتزاع یک اتم هیدروژن از یک مولکول متان انجام می شود. حذف توسط اکسیژن ناقص کاهش یافته، به عنوان مثال O 2 2- انجام می شود. رادیکال های متیل در فاز گاز برای تشکیل یک مولکول اتان مجدداً ترکیب می شوند و در طول هیدروژن زدایی بعدی به اتیلن تبدیل می شوند. مثال دیگری از اکسیداسیون ناقص، تبدیل متانول به فرمالدئید در حضور کاتالیزور نقره یا آهن-مولیبدن است.

زئولیت ها

زئولیت ها دسته خاصی از کاتالیزورهای ناهمگن را تشکیل می دهند. اینها آلومینوسیلیکاتها با ساختار لانه زنبوری منظمی هستند که اندازه سلول آنها با اندازه بسیاری از مولکولهای آلی قابل مقایسه است. به آنها الک مولکولی نیز می گویند. بیشترین علاقه زئولیت ها هستند که منافذ آنها توسط حلقه هایی متشکل از 8-12 یون اکسیژن تشکیل شده است (شکل 2). گاهی اوقات منافذ با هم همپوشانی دارند، مانند زئولیت ZSM-5 (شکل 3)، که برای تبدیل بسیار ویژه متانول به هیدروکربن های کسر بنزین استفاده می شود. بنزین حاوی مقادیر قابل توجهی هیدروکربن های معطر است و بنابراین دارای عدد اکتان بالایی است. برای مثال در نیوزلند یک سوم کل بنزین مصرفی با استفاده از این فناوری تولید می شود. متانول از متان وارداتی تولید می شود.

کاتالیزورهایی که گروه زئولیت های Y را تشکیل می دهند به طور قابل توجهی بازده ترک خوردگی کاتالیستی را به دلیل خواص اسیدی غیرمعمولشان افزایش می دهند. جایگزینی آلومینوسیلیکات ها با زئولیت ها افزایش بیش از 20 درصدی بازده بنزین را ممکن می سازد.

علاوه بر این، زئولیت ها دارای گزینش پذیری در مورد اندازه مولکول های واکنش دهنده هستند. انتخاب پذیری آنها با اندازه منافذی تعیین می شود که مولکول هایی با اندازه ها و شکل های خاص می توانند از آن عبور کنند. این هم برای مواد اولیه و هم برای محصولات واکنش صدق می کند. به عنوان مثال، به دلیل محدودیت های فضایی جفت- زایلن راحت تر از حجیم تر تشکیل می شود ارتو- و متا-ایزومرها دومی خود را در منافذ زئولیت "قفل شده" می یابند (شکل 4).

استفاده از زئولیت ها انقلابی واقعی در برخی از فناوری های صنعتی ایجاد کرده است - موم زدایی از روغن گاز و روغن موتور، به دست آوردن مواد واسطه شیمیایی برای تولید پلاستیک با آلکیلاسیون ترکیبات معطر، ایزومریزاسیون زایلن، نامتناسب شدن تولوئن و ترک کاتالیستی روغن. زئولیت ZSM-5 در اینجا به ویژه موثر است.

کاتالیزورها و حفاظت از محیط زیست

استفاده از کاتالیزورها برای کاهش آلودگی هوا در اواخر دهه 1940 آغاز شد. در سال 1952، A. Hagen-Smith دریافت که هیدروکربن ها و اکسیدهای نیتروژن موجود در گازهای خروجی در نور واکنش نشان می دهند و اکسیدان (به ویژه ازن) را تشکیل می دهند که چشم را تحریک می کند و اثرات نامطلوب دیگری ایجاد می کند. تقریباً در همان زمان، ی.خودری روشی را برای تصفیه کاتالیزوری گازهای خروجی با اکسید کردن CO و هیدروکربن ها به CO 2 و H 2 O ابداع کرد. در سال 1970، اعلامیه هوای پاک تنظیم شد (در سال 1977 پالایش شد، در سال 1990 گسترش یافت). که تمام خودروهای جدید، که از مدل های 1975 شروع می شوند، باید به مبدل های اگزوز کاتالیزوری مجهز شوند. استانداردهایی برای ترکیب گازهای خروجی ایجاد شد. از آنجایی که ترکیبات سرب به کاتالیزورهای سم بنزین اضافه می شود، برنامه حذف تدریجی اتخاذ شده است. همچنین توجه به نیاز به کاهش محتوای اکسیدهای نیتروژن جلب شد.

کاتالیزورهایی به طور خاص برای خنثی کننده های خودرو ایجاد شده اند که در آنها اجزای فعال روی یک بستر سرامیکی با ساختار لانه زنبوری اعمال می شوند که از طریق سلول های آن گازهای خروجی عبور می کنند. این بستر با یک لایه نازک از اکسید فلز، به عنوان مثال Al 2 O 3، پوشانده شده است، که روی آن یک کاتالیزور - پلاتین، پالادیوم یا رودیوم - اعمال می شود. محتوای اکسیدهای نیتروژن تشکیل شده در طی احتراق سوخت های طبیعی در نیروگاه های حرارتی را می توان با افزودن مقادیر کمی آمونیاک به گازهای دودکش و عبور آنها از کاتالیزور تیتانیوم وانادیوم کاهش داد.

آنزیم ها

آنزیم ها کاتالیزورهای طبیعی هستند که فرآیندهای بیوشیمیایی را در یک سلول زنده تنظیم می کنند. آنها در فرآیندهای تبادل انرژی، تجزیه مواد مغذی و واکنش های بیوسنتز شرکت می کنند. بدون آنها، بسیاری از واکنش های آلی پیچیده نمی توانند رخ دهند. آنزیم ها در دماها و فشارهای معمولی عمل می کنند، گزینش پذیری بسیار بالایی دارند و می توانند سرعت واکنش را تا هشت مرتبه بزرگی افزایش دهند. با وجود این مزایا، فقط حدود 20 آنزیم از 15000 آنزیم شناخته شده در مقیاس بزرگ استفاده می شود.

انسان هزاران سال است که از آنزیم ها برای پخت نان، تولید مشروبات الکلی، پنیر و سرکه استفاده کرده است. اکنون از آنزیم ها در صنعت نیز استفاده می شود: در فرآوری شکر، در تولید آنتی بیوتیک های مصنوعی، اسیدهای آمینه و پروتئین ها. آنزیم های پروتئولیتیک که فرآیندهای هیدرولیز را تسریع می کنند به مواد شوینده اضافه می شوند.

با کمک باکتری کلستریدیوم استوبوتیلیکوم H. Weizmann تبدیل آنزیمی نشاسته به استون و بوتیل الکل را انجام داد. این روش تولید استون به طور گسترده در انگلستان در طول جنگ جهانی اول و در طول جنگ جهانی دوم برای تولید لاستیک بوتادین در اتحاد جماهیر شوروی استفاده شد.

استفاده از آنزیم های تولید شده توسط میکروارگانیسم ها برای سنتز پنی سیلین و همچنین استرپتومایسین و ویتامین B12 نقش بسیار مهمی را ایفا کرد.

الکل اتیل که توسط فرآیندهای آنزیمی تولید می شود، به طور گسترده ای به عنوان سوخت خودرو استفاده می شود. در برزیل، بیش از یک سوم از حدود 10 میلیون خودرو با 96 درصد اتیل الکل مشتق از نیشکر کار می کنند، در حالی که بقیه با مخلوطی از بنزین و اتیل الکل (20 درصد) کار می کنند. فناوری تولید سوخت که مخلوطی از بنزین و الکل است در ایالات متحده به خوبی توسعه یافته است. در سال 1987، تقریبا 4 میلیارد لیتر الکل که تقریباً 3.2 میلیارد لیتر آن به عنوان سوخت مصرف شده است. به اصطلاح همچنین برنامه های مختلف را پیدا کنید. آنزیم های بی حرکت این آنزیم ها به یک تکیه گاه جامد مانند سیلیکاژل متصل می شوند که معرف ها از روی آن عبور می کنند. مزیت این روش این است که تماس موثر سوبستراها با آنزیم، جداسازی محصولات و حفظ آنزیم را تضمین می کند. یکی از نمونه‌های کاربرد صنعتی آنزیم‌های بی‌حرکت، ایزومریزاسیون D-گلوکز به فروکتوز است.

جنبه های تکنولوژیکی

فناوری های مدرن را نمی توان بدون استفاده از کاتالیزورها تصور کرد. واکنش های کاتالیزوری می تواند در دماهای تا 650 درجه سانتیگراد و فشارهای 100 اتمسفر یا بیشتر رخ دهد. این امر راه حل های جدیدی را برای مشکلات مربوط به تماس بین مواد گازی و جامد و با انتقال ذرات کاتالیزور ایجاد می کند. برای اینکه فرآیند موثر باشد، مدلسازی آن باید جنبه های جنبشی، ترمودینامیکی و هیدرودینامیکی را در نظر بگیرد. مدل‌سازی رایانه‌ای در اینجا به‌طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد، همچنین ابزارها و روش‌های جدید برای نظارت بر فرآیندهای فناوری.

در سال 1960 پیشرفت قابل توجهی در تولید آمونیاک حاصل شد. استفاده از یک کاتالیزور فعال تر، کاهش دمای تولید هیدروژن را در هنگام تجزیه بخار آب ممکن می سازد، که باعث می شود فشار کاهش یابد و در نتیجه هزینه های تولید کاهش یابد، به عنوان مثال، از طریق استفاده از کمپرسورهای گریز از مرکز ارزان تر. . در نتیجه، هزینه آمونیاک بیش از نصف کاهش یافت، افزایش عظیمی در تولید آن رخ داد و در ارتباط با این افزایش تولید مواد غذایی، زیرا آمونیاک یک کود ارزشمند است.

مواد و روش ها.

تحقیقات در زمینه کاتالیز به دو روش سنتی و خاص انجام می شود. ردیاب های رادیواکتیو، اشعه ایکس، طیف سنجی مادون قرمز و رامان (رامان)، روش های میکروسکوپ الکترونی استفاده می شود. اندازه‌گیری‌های جنبشی انجام می‌شود، تأثیر روش‌های تهیه کاتالیزورها بر فعالیت آنها مورد مطالعه قرار می‌گیرد. تعیین سطح کاتالیزور با استفاده از روش Brunauer-Emmett-Teller (روش BET) بر اساس اندازه گیری جذب فیزیکی نیتروژن در فشارهای مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است. برای این کار، مقدار نیتروژن مورد نیاز برای تشکیل تک لایه روی سطح کاتالیزور را تعیین کنید و با دانستن قطر مولکول N 2، مساحت کل را محاسبه کنید. علاوه بر تعیین سطح کل، جذب شیمیایی مولکول های مختلف انجام می شود که تخمین تعداد مراکز فعال و کسب اطلاعات در مورد خواص آنها را ممکن می سازد.

محققان روش های مختلفی برای مطالعه ساختار سطحی کاتالیزورها در سطح اتمی در اختیار دارند. روش EXAFS به شما امکان می دهد اطلاعات منحصر به فردی را به دست آورید. در بین روش های طیف سنجی، طیف سنجی فوتوالکترون UV، اشعه ایکس و اوگر به طور فزاینده ای مورد استفاده قرار می گیرد. طیف سنجی جرمی یونی ثانویه و طیف سنجی پراکندگی یونی بسیار مورد توجه هستند. اندازه گیری NMR برای مطالعه ماهیت کمپلکس های کاتالیزوری استفاده می شود. یک میکروسکوپ تونلی روبشی به شما امکان می دهد آرایش اتم ها را روی سطح کاتالیزور مشاهده کنید.

چشم انداز

مقیاس فرآیندهای کاتالیزوری در صنعت هر سال در حال افزایش است. کاتالیزورها به طور فزاینده ای برای خنثی کردن موادی که محیط را آلوده می کنند استفاده می شود. نقش کاتالیزورها در تولید هیدروکربن ها و سوخت های مصنوعی حاوی اکسیژن از گاز و زغال سنگ در حال افزایش است. ایجاد سلول های سوختی برای تبدیل اقتصادی انرژی سوخت به انرژی الکتریکی بسیار امیدوار کننده به نظر می رسد.

مفاهیم جدید کاتالیز به دست آوردن مواد پلیمری و سایر محصولات با خواص بسیار ارزشمند، بهبود روش‌های کسب انرژی و افزایش تولید مواد غذایی، به ویژه با سنتز پروتئین‌ها از آلکان‌ها و آمونیاک با کمک میکروارگانیسم‌ها، امکان‌پذیر خواهد بود. ممکن است بتوان روش‌های مهندسی ژنتیکی برای تولید آنزیم‌ها و ترکیبات آلی فلزی که به کاتالیزورهای بیولوژیکی طبیعی در فعالیت کاتالیزوری و گزینش‌پذیری نزدیک می‌شوند، توسعه داد.

ادبیات:

گیتس بی.کی. شیمی فرآیندهای کاتالیزوری. م.، 1981
بورسکوف G.K. کاتالیزور سوالات تئوری و عملی. نووسیبیرسک، 1987
Gankin V.Yu.، Gankin Yu.V. نظریه کلی جدید کاتالیز. L.، 1991
توکابه ک. کاتالیزورها و فرآیندهای کاتالیزوری. م.، 1993

 

← قبلی بعدی →

انتشارات ما

میخک (ادویه) و قدرت شفابخش آن دسته: سبک زندگی سالم

به طور سنتی، میخک تقریباً در هر دستور پخت نان زنجبیلی و پانچ یافت می شود. این ادویه طعم سس ها و همچنین غذاهای گوشتی و سبزیجات را بهبود می بخشد. دانشمندان کشف کرده اند که میخک تند یک آنتی اکسیدان عالی است و بنابراین برای تقویت سیستم دفاعی بدن مناسب است.

کامل بخوانید

دسته: سبک زندگی سالم

رامسون (سیر وحشی) نوعی منادی بهار است که مشتاقانه منتظر آن هستیم. این تعجب آور نیست، زیرا برگ های سبز لطیف سیر وحشی نه تنها یک برجسته آشپزی، بلکه یک سالم نیز هستند! سیر وحشی سموم را از بین می برد، فشار خون و سطح کلسترول را کاهش می دهد. با آترواسکلروز موجود مبارزه می کند و از بدن در برابر باکتری ها و قارچ ها محافظت می کند. سیر وحشی علاوه بر انبوهی از ویتامین ها و مواد مغذی، حاوی ماده فعال آلیین است که یک آنتی بیوتیک طبیعی با اثرات درمانی مختلف است.

دسته: سبک زندگی سالم

زمستان زمان آنفولانزا است. موج سالانه بیماری های آنفلوآنزا معمولا از ژانویه آغاز می شود و سه تا چهار ماه طول می کشد. آیا می توان از آنفولانزا پیشگیری کرد؟ چگونه از خود در برابر آنفولانزا محافظت کنیم؟ آیا واقعاً واکسن آنفولانزا تنها جایگزین است یا گزینه های دیگری وجود دارد؟ برای تقویت سیستم ایمنی و پیشگیری از آنفولانزا به روش های طبیعی دقیقاً چه کاری می توان انجام داد، در مقاله ما خواهید فهمید.

کامل بخوانید

دسته: سبک زندگی سالم

گیاهان دارویی زیادی برای سرماخوردگی وجود دارد. در مقاله ما با مهم ترین گیاهانی آشنا می شوید که به شما کمک می کند سریعتر با سرماخوردگی مقابله کنید و قوی تر شوید. شما خواهید آموخت که کدام گیاهان به آبریزش بینی کمک می کنند، اثر ضد التهابی دارند، گلودرد را تسکین می دهند و سرفه را تسکین می دهند.

کامل بخوانید

چگونه شاد شویم؟ چند قدم تا خوشبختی دسته: روانشناسی روابط

کلیدهای خوشبختی آنقدرها هم که فکر می کنید دور نیستند. چیزهایی هست که واقعیت ما را تاریک می کند. شما باید از شر آنها خلاص شوید. در مقاله ما چندین مرحله را به شما معرفی می کنیم که زندگی شما را روشن تر می کند و احساس شادی بیشتری خواهید داشت.

کامل بخوانید

آموزش عذرخواهی صحیح دسته: روانشناسی روابط

یک فرد می تواند به سرعت چیزی بگوید و حتی متوجه نشود که به کسی توهین کرده است. در یک چشم به هم زدن ممکن است دعوا شروع شود. یک کلمه بد حرف بعدی را دنبال می کند. در یک مقطع، اوضاع به حدی متشنج می شود که به نظر می رسد هیچ راهی برای خروج از آن وجود ندارد. تنها راه نجات این است که یکی از شرکت کنندگان در نزاع دست از کار بکشد و عذرخواهی کند. صمیمانه و دوستانه. از این گذشته ، یک "متاسفم" سرد هیچ احساسی را برانگیخته نمی کند. یک عذرخواهی مناسب بهترین شفا دهنده رابطه در هر موقعیتی از زندگی است.

کامل بخوانید

دسته: روانشناسی روابط

حفظ یک رابطه هماهنگ با شریک زندگی آسان نیست، اما برای سلامتی ما بی نهایت مهم است. می توانید درست غذا بخورید، به طور منظم ورزش کنید، شغل عالی و پول زیادی داشته باشید. اما اگر در رابطه با یکی از عزیزان مشکلی داشته باشیم، هیچ کدام از اینها کمکی نمی کند. بنابراین، بسیار مهم است که روابط ما هماهنگ باشد، و چگونگی دستیابی به این امر، توصیه های این مقاله کمک خواهد کرد.

کامل بخوانید

بوی بد دهان: دلیل آن چیست؟ دسته: سبک زندگی سالم

بوی بد دهان یک موضوع نسبتاً ناخوشایند نه تنها برای مقصر این بو، بلکه برای عزیزان او نیز است. بوی نامطبوع در موارد استثنایی، مثلاً به صورت غذای سیر، برای همه بخشوده می شود. با این حال، بوی بد دهان مزمن می تواند به راحتی فرد را به سمت آفساید اجتماعی سوق دهد. این نباید اتفاق بیفتد زیرا علت بوی بد دهان در بیشتر موارد به راحتی قابل شناسایی و از بین بردن است.

کامل بخوانید

عنوان:

اتاق خواب باید همیشه واحه ای از آرامش و رفاه باشد. واضح است که به همین دلیل است که بسیاری از افراد می خواهند اتاق خواب خود را با گیاهان داخلی تزئین کنند. اما آیا این صلاح است؟ و اگر چنین است چه گیاهانی برای اتاق خواب مناسب هستند؟

دانش علمی مدرن این نظریه باستانی را محکوم می کند که گل ها در اتاق خواب نامناسب هستند. قبلاً اعتقاد بر این بود که گیاهان سبز و گلدار در شب اکسیژن زیادی مصرف می کنند و می توانند باعث مشکلات سلامتی شوند. در واقع، گیاهان سرپوشیده حداقل نیاز به اکسیژن دارند.

کامل بخوانید

رازهای عکاسی در شب دسته: عکاسی

بنابراین از چه تنظیمات دوربین برای نوردهی طولانی، عکاسی در شب و عکاسی در نور کم استفاده کنید؟ در مقاله خود، چندین نکته و توصیه را جمع آوری کرده ایم که به شما کمک می کند تا عکس های شبانه با کیفیت بالا بگیرید.

یکی از مؤثرترین تأثیرات بر واکنش های شیمیایی استفاده از کاتالیزور است. کاتالیزورها موادی هستند که واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند. وجود کاتالیزورها سرعت واکنش را هزاران و حتی میلیون ها بار تغییر می دهد. کاتالیزورها به طور فعال در یک واکنش شیمیایی شرکت می کنند، اما برخلاف معرف ها، در پایان واکنش بدون تغییر باقی می مانند.

- اینها موادی هستند که سرعت واکنش را تغییر می دهند، اما خودشان در طی واکنش مصرف نمی شوند و بخشی از محصولات نهایی نیستند.

یکی از ویژگی های مهم یک واکنش کاتالیزوری (کاتالیز)، همگنی یا ناهمگنی کاتالیزور و واکنش دهنده ها است. فرآیندهای کاتالیزوری همگن و ناهمگن وجود دارد. در کاتالیز همگن (یکنواخت)، هیچ رابطی بین واکنش دهنده ها و کاتالیزور وجود ندارد. در این حالت، کاتالیز از طریق تشکیل محصولات میانی ناپایدار رخ می دهد.

به عنوان مثال، ماده A باید با ماده B واکنش دهد. با این حال، برای شروع واکنش به حرارت زیاد نیاز است و سپس واکنش به کندی پیش می‌رود. سپس کاتالیزور به گونه ای انتخاب می شود که با ماده A یک ترکیب میانی فعال تشکیل می دهد که می تواند به شدت با ماده B واکنش نشان دهد:

گربه A+. = A ∙ گربه.
یک گربه ∙ + B = AB ∙ گربه.
گربه
A+B=AB

فرآیندهایی که در آن کاتالیزور و مواد کاتالیز شده در حالت‌های مختلف تجمع هستند، کاتالیز ناهمگن (غیر یکنواخت) نامیده می‌شوند. هنگامی که معرف های گازی یا مایع روی سطح کاتالیزور جذب می شوند، پیوندهای شیمیایی ضعیف شده و توانایی این مواد برای تعامل افزایش می یابد.

اثر شتاب دهنده کاتالیزور کاهش انرژی فعال سازی واکنش اصلی است. هر یک از فرآیندهای میانی شامل یک کاتالیزور با انرژی فعال سازی کمتری نسبت به یک واکنش غیر کاتالیزور رخ می دهد. کاتالیز مسیر متفاوتی را برای یک واکنش شیمیایی از مواد اولیه به محصولات واکنش باز می کند.

تجربه نشان می دهد که کاتالیزورها به شدت برای واکنش های خاص خاص هستند. به عنوان مثال، در واکنش:

N 2 + 3H 2 = Fe 2NH 3

کاتالیزور آهن فلزی است و در واکنش اکسیداسیون اکسید گوگرد(IV) به اکسید گوگرد(VI)، کاتالیزور وانادیوم(V) اکسید V 2 O 5 است. پلاتین، نیکل، پالادیوم و اکسید آلومینیوم اغلب به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند. برای تسریع فرآیند تجزیه پراکسید هیدروژن، از اکسید منگنز (IV) به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. اگر کمی اکسید منگنز (IV) را به یک لیوان با محلول پراکسید هیدروژن اضافه کنید، فوراً در نتیجه آزاد شدن اکسیژن، کف شدید مایع ایجاد می شود.

کاتالیزور واکنش بین آلومینیوم و ید آب معمولی است. اگر آب به مخلوط آلومینیوم و ید اضافه شود، مواد موجود در مخلوط به شدت واکنش می دهند.

موادی وجود دارند که می توانند یک واکنش شیمیایی را کاهش دهند - به اصطلاح کاتالیز منفی را انجام می دهند. به آنها بازدارنده می گویند. چنین موادی در صورت لزوم برای کند کردن برخی از فرآیندها، به عنوان مثال، خوردگی فلزات، اکسیداسیون سولفیدها در حین ذخیره سازی و غیره استفاده می شوند.

برای رای دادن باید جاوا اسکریپت را فعال کنید