Λόγω της ταχείας ανάπτυξης της βιομηχανίας, οι καταλυτικές αντιδράσεις γίνονται όλο και πιο απαιτητικές στη χημική παραγωγή, τη μηχανολογία και τη μεταλλουργία. Χάρη στη χρήση καταλυτών, είναι δυνατό να μετατραπούν οι χαμηλής ποιότητας πρώτες ύλες σε πολύτιμο προϊόν.
Σημασία
Οι καταλυτικές αντιδράσεις διακρίνονται από την ποικιλία των παραγόντων που χρησιμοποιούνται. Στην οργανική σύνθεση, συμβάλλουν σε σημαντική επιτάχυνση της αφυδρογόνωσης, της υδρογόνωσης, της ενυδάτωσης, της οξείδωσης και του πολυμερισμού. Ο καταλύτης μπορεί να θεωρηθεί μια «φιλοσοφική πέτρα» που μετατρέπει τις πρώτες ύλες σε τελικά προϊόντα: ίνες, φάρμακα, χημικά, λιπάσματα, καύσιμα, πλαστικά.
Οι καταλυτικές αντιδράσεις καθιστούν δυνατή τη λήψη πολλών προϊόντων, χωρίς τα οποία είναι αδύνατη η κανονική ζωή και η ανθρώπινη δραστηριότητα.
Η Catalysis σάς επιτρέπει να επιταχύνετε τις διαδικασίεςχιλιάδες και εκατομμύρια φορές, γι' αυτό χρησιμοποιείται σήμερα στο 91% των διαφόρων χημικών βιομηχανιών.
Ενδιαφέροντα γεγονότα
Πολλές σύγχρονες βιομηχανικές διεργασίες, όπως η σύνθεση θειικού οξέος, μπορούν να πραγματοποιηθούν μόνο με χρήση καταλύτη. Μια μεγάλη ποικιλία καταλυτικών παραγόντων διασφαλίζει τη δημιουργία λιπαντικών για την αυτοκινητοβιομηχανία. Το 1900, για πρώτη φορά σε βιομηχανική κλίμακα, πραγματοποιήθηκε μια καταλυτική σύνθεση μαργαρίνης από φυτικές πρώτες ύλες (με υδρογόνωση).
Από το 1920, έχει αναπτυχθεί ένας μηχανισμός για καταλυτικές αντιδράσεις στην παραγωγή ινών και πλαστικών. Ένα γεγονός ορόσημο ήταν η καταλυτική παραγωγή εστέρων, ολεφινών, καρβοξυλικών οξέων, καθώς και άλλων πρώτων υλών για την παρασκευή πολυμερών ενώσεων.
Διύλιση λαδιού
Από τα μέσα του περασμένου αιώνα, οι καταλυτικές αντιδράσεις χρησιμοποιούνται στη διύλιση πετρελαίου. Η επεξεργασία αυτού του πολύτιμου φυσικού πόρου περιλαμβάνει πολλές καταλυτικές διαδικασίες ταυτόχρονα:
- reforming;
- σκάσιμο;
- υδροσουλφονίωση;
- πολυμερισμός;
- υδρογονοπυρόλυση;
- αλκυλίωση.
Από τα τέλη του περασμένου αιώνα, ήταν δυνατή η ανάπτυξη ενός καταλυτικού μετατροπέα για τη μείωση των εκπομπών καυσαερίων στην ατμόσφαιρα.
Έχουν απονεμηθεί αρκετά βραβεία Νόμπελ για εργασία στην κατάλυση και συναφείς τομείς.
Πρακτική συνάφεια
Καταλυτική αντίδραση είναι κάθε διαδικασία που περιλαμβάνει τη χρήση επιταχυντών (καταλυτών). Για να εκτιμηθεί η πρακτική σημασία τέτοιων αλληλεπιδράσεων, μπορεί κανείς να αναφέρει ως παράδειγμα τις αντιδράσεις που σχετίζονται με το άζωτο και τις ενώσεις του. Δεδομένου ότι αυτή η ποσότητα είναι πολύ περιορισμένη στη φύση, η δημιουργία πρωτεΐνης τροφίμων χωρίς τη χρήση συνθετικής αμμωνίας είναι πολύ προβληματική. Το πρόβλημα λύθηκε με την ανάπτυξη της καταλυτικής διαδικασίας Haber-Bosch. Η χρήση των καταλυτών επεκτείνεται συνεχώς, γεγονός που καθιστά δυνατή την αύξηση της απόδοσης πολλών τεχνολογιών.
παραγωγή αμμωνίας
Ας εξετάσουμε μερικές καταλυτικές αντιδράσεις. Παραδείγματα από την ανόργανη χημεία δίνονται με βάση τις πιο κοινές βιομηχανίες. Η σύνθεση της αμμωνίας είναι μια εξώθερμη, αναστρέψιμη αντίδραση, η οποία χαρακτηρίζεται από μείωση του όγκου της αέριας ουσίας. Η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε έναν καταλύτη, ο οποίος είναι πορώδης σίδηρος με την προσθήκη οξειδίου του αργιλίου, ασβεστίου, καλίου, πυριτίου. Ένας τέτοιος καταλύτης είναι ενεργός και σταθερός στο εύρος θερμοκρασίας 650-830K.
Στείλτε του μη αναστρέψιμα ενώσεις θείου, ιδιαίτερα μονοξείδιο του άνθρακα (CO). Τις τελευταίες δεκαετίες, χάρη στην εισαγωγή καινοτόμων τεχνολογιών, η πίεση έχει μειωθεί σημαντικά. Για παράδειγμα, κατασκευάστηκε ένας μετατροπέας που σας επιτρέπει να χαμηλώσετε την ένδειξη πίεσης στα 8106 - 15106 Pa.
Ο εκσυγχρονισμός του μπροστινού κυκλώματος έχει μειώσει σημαντικά την πιθανότητα εύρεσης καταλυτικών δηλητηρίων σε αυτό - ενώσεις θείου,χλώριο. Οι απαιτήσεις για τον καταλύτη έχουν επίσης αυξηθεί σημαντικά. Αν παλαιότερα παρήχθη με τήξη οξειδίων σιδήρου (κλίμακα), με προσθήκη οξειδίων μαγνησίου και ασβεστίου, τώρα το οξείδιο του κοβαλτίου παίζει το ρόλο ενός νέου ενεργοποιητή.
Οξείδωση αμμωνίας
Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των καταλυτικών και μη καταλυτικών αντιδράσεων; Παραδείγματα διεργασιών που εξαρτώνται από την προσθήκη ορισμένων ουσιών μπορούν να ληφθούν υπόψη με βάση την οξείδωση της αμμωνίας:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Αυτή η διαδικασία είναι δυνατή σε θερμοκρασία περίπου 800°C, καθώς και σε επιλεκτικό καταλύτη. Για την επιτάχυνση της αλληλεπίδρασης, χρησιμοποιείται η πλατίνα και τα κράματά της με μαγγάνιο, σίδηρο, χρώμιο και κοβάλτιο. Επί του παρόντος, ο κύριος βιομηχανικός καταλύτης είναι ένα μείγμα πλατίνας με ρόδιο και παλλάδιο. Αυτή η προσέγγιση κατέστησε δυνατή τη σημαντική μείωση του κόστους της διαδικασίας.
Αποσύνθεση νερού
Λαμβάνοντας υπόψη τις εξισώσεις των καταλυτικών αντιδράσεων, δεν μπορούμε να αγνοήσουμε την αντίδραση λήψης αερίου οξυγόνου και υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού. Η διαδικασία συνεπάγεται σημαντικό ενεργειακό κόστος, επομένως χρησιμοποιείται σπάνια σε βιομηχανική κλίμακα.
Μέταλλο πλατίνα με μέγεθος σωματιδίων περίπου 5-10 nm (νανοσυμπλέγματα) λειτουργεί ως ο βέλτιστος επιταχυντής για μια τέτοια διαδικασία. Η εισαγωγή μιας τέτοιας ουσίας επιταχύνει την αποσύνθεση του νερού κατά 20-30 τοις εκατό. Άλλα οφέλη περιλαμβάνουν τη σταθερότητα του καταλύτη μονοξειδίου του άνθρακα της πλατίνας.
Το 2010μια ομάδα Αμερικανών επιστημόνων έλαβε έναν φτηνό καταλύτη που μειώνει την κατανάλωση ενέργειας για ηλεκτρόλυση νερού. Έγιναν μια ένωση νικελίου και βορίου, το κόστος του οποίου είναι σημαντικά χαμηλότερο από την πλατίνα. Ο καταλύτης βορίου-νικελίου έχει εκτιμηθεί στην παραγωγή βιομηχανικού υδρογόνου.
Σύνθεση ιωδιούχου αλουμινίου
Λάβετε αυτό το αλάτι αντιδρώντας σε σκόνη αλουμινίου με ιώδιο. Μια σταγόνα νερού είναι αρκετή για να λειτουργήσει ως καταλύτης για να ξεκινήσει μια χημική αντίδραση.
Πρώτον, το φιλμ οξειδίου του αλουμινίου δρα ως επιταχυντής της διαδικασίας. Το ιώδιο, διαλύοντας στο νερό, σχηματίζει ένα μείγμα υδροϊωδικών και ιωδικών οξέων. Το οξύ, με τη σειρά του, διαλύει το φιλμ οξειδίου του αλουμινίου, ενεργώντας ως καταλύτης για τη χημική διαδικασία.
Σύνοψη
Κάθε χρόνο, η κλίμακα εφαρμογής των καταλυτικών διεργασιών σε διάφορους τομείς της σύγχρονης βιομηχανίας αυξάνεται. Ζητούνται καταλύτες που σας επιτρέπουν να εξουδετερώνετε ουσίες που είναι επικίνδυνες για το περιβάλλον. Ο ρόλος των ενώσεων που είναι απαραίτητες για την παραγωγή συνθετικών υδρογονανθράκων από άνθρακα και αέριο αυξάνεται επίσης. Οι νέες τεχνολογίες συμβάλλουν στη μείωση του ενεργειακού κόστους στη βιομηχανική παραγωγή διαφόρων ουσιών.
Χάρη στην κατάλυση, είναι δυνατή η λήψη πολυμερών ενώσεων, προϊόντων με πολύτιμες ιδιότητες, ο εκσυγχρονισμός τεχνολογιών για τη μετατροπή του καυσίμου σε ηλεκτρική ενέργεια, η σύνθεση ουσιών απαραίτητων γιαανθρώπινη ζωή και δραστηριότητες.
