Az ipar gyors növekedése miatt a katalitikus reakciók egyre igényesebbé válnak a vegyiparban, a gépiparban és a kohászatban. A katalizátorok használatának köszönhetően lehetőség nyílik az alacsony minőségű alapanyagokból értékes termékké alakítani.
Signifikancia
A katalitikus reakciókat a felhasznált szerek sokfélesége különbözteti meg. A szerves szintézisben hozzájárulnak a dehidrogénezés, hidrogénezés, hidratáció, oxidáció és polimerizáció jelentős felgyorsításához. A katalizátor a „bölcsek kövének” tekinthető, amely a nyersanyagokat késztermékké alakítja: rostok, gyógyszerek, vegyszerek, műtrágyák, üzemanyagok, műanyagok.
A katalitikus reakciók számos termék előállítását teszik lehetővé, amelyek nélkül a normális élet és az emberi tevékenység lehetetlen.
A katalízis lehetővé teszi a folyamatok felgyorsításátezer és millió alkalommal, ezért jelenleg a különféle vegyipar 91%-ában használják.
Érdekes tények
Sok modern ipari folyamat, mint például a kénsav szintézise, csak katalizátor segítségével hajtható végre. A katalitikus szerek széles választéka biztosítja a motorolajok előállítását az autóipar számára. 1900-ban ipari méretekben először végeztek margarin katalitikus szintézisét növényi nyersanyagokból (hidrogénezéssel).
1920 óta a szálak és műanyagok előállítása során a katalitikus reakciókhoz mechanizmust fejlesztettek ki. Mérföldkőnek számító esemény volt az észterek, olefinek, karbonsavak, valamint a polimer vegyületek előállításához használt egyéb kiindulási anyagok katalitikus előállítása.
Olajfinomítás
A múlt század közepe óta katalitikus reakciókat alkalmaznak az olajfinomításban. Ennek az értékes természeti erőforrásnak a feldolgozása egyszerre több katalitikus folyamatot is magában foglal:
- reforming;
- repedés;
- hidroszulfonálás;
- polimerizáció;
- hidrokrakkolás;
- alkilezés.
A múlt század vége óta lehetséges volt olyan katalizátor kifejlesztése, amely csökkenti a kipufogógáz-kibocsátást a légkörbe.
Több Nobel-díjat is odaítéltek a katalízis és a kapcsolódó területeken végzett munkáért.
Gyakorlati relevancia
Katalitikus reakció minden olyan folyamat, amely gyorsítók (katalizátorok) használatával jár. Az ilyen kölcsönhatások gyakorlati jelentőségének felmérésére példaként említhetjük a nitrogénnel és vegyületeivel kapcsolatos reakciókat. Mivel ez a mennyiség nagyon korlátozott a természetben, az élelmiszer-fehérjék előállítása szintetikus ammónia használata nélkül nagyon problematikus. A problémát a Haber-Bosch katalitikus eljárás kifejlesztésével oldották meg. A katalizátorok felhasználása folyamatosan bővül, ami számos technológia hatékonyságának növelését teszi lehetővé.
Ammóniagyártás
Vegyünk néhány katalitikus reakciót. A szervetlen kémiából származó példákat a leggyakoribb iparágak alapján adjuk meg. Az ammónia szintézise exoterm, reverzibilis reakció, amelyet a gáz halmazállapotú anyag térfogatának csökkenése jellemez. A folyamat katalizátoron megy végbe, amely porózus vas, alumínium-oxid, kalcium, kálium, szilícium hozzáadásával. Az ilyen katalizátor aktív és stabil a 650-830 K hőmérséklet-tartományban.
Vissza visszafordíthatatlanul kénvegyületeket, különösen szén-monoxidot (CO). Az elmúlt néhány évtizedben az innovatív technológiák bevezetésének köszönhetően a nyomás jelentősen csökkent. Például olyan átalakítót készítettek, amely lehetővé teszi a nyomásjelző 8106 - 15106 Pa-ra csökkentését.
Az elülső áramkör modernizálása jelentősen csökkentette annak a valószínűségét, hogy katalitikus mérgeket találjanak benne - kénvegyületeket,klór. A katalizátorral szemben támasztott követelmények is jelentősen megnőttek. Ha korábban vas-oxidok olvasztásával (vízkő), magnézium- és kalcium-oxidok hozzáadásával állították elő, most a kob alt-oxid tölti be az új aktivátor szerepét.
Ammónia oxidációja
Milyen jellemzői vannak a katalitikus és nem katalitikus reakcióknak? Az ammónia oxidációja alapján megfontolhatóak az olyan eljárások, amelyek bizonyos anyagok hozzáadásától függenek:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Ez az eljárás körülbelül 800°C-os hőmérsékleten, valamint szelektív katalizátorként lehetséges. A kölcsönhatás felgyorsítása érdekében platinát és ötvözeteit mangánnal, vassal, krómmal és kob alttal használják. Jelenleg a fő ipari katalizátor a platina ródium és palládium keveréke. Ez a megközelítés lehetővé tette a folyamat költségeinek jelentős csökkentését.
Vízbomlás
A katalitikus reakciók egyenleteit figyelembe véve nem lehet figyelmen kívül hagyni a gáznemű oxigén és hidrogén víz elektrolízissel történő előállításának reakcióját. Az eljárás jelentős energiaköltséggel jár, ezért ipari méretekben ritkán használják.
A körülbelül 5-10 nm-es részecskeméretű fémplatina (nanoklaszterek) optimális gyorsítóként működik az ilyen folyamatokhoz. Egy ilyen anyag bevezetése 20-30 százalékkal felgyorsítja a víz bomlását. További előnyök közé tartozik a platina szén-monoxid katalizátor stabilitása.
2010-benamerikai tudósokból álló csapat kapott egy olcsó katalizátort, amely csökkenti a víz elektrolízisének energiafogyasztását. Nikkel és bór vegyületté váltak, amelynek költsége lényegesen alacsonyabb, mint a platinaé. A bór-nikkel katalizátort nagyra értékelték az ipari hidrogéngyártásban.
Alumínium-jodid szintézise
Szerezze meg ezt a sót úgy, hogy alumíniumport reagáltat jóddal. Egy csepp víz elegendő ahhoz, hogy katalizátorként működjön a kémiai reakció elindításához.
Először is, az alumínium-oxid film a folyamat gyorsítójaként működik. A jód vízben oldva jód-hidrogén- és jódsav keverékét képezi. A sav pedig feloldja az alumínium-oxid filmet, és katalizátorként működik a kémiai folyamatban.
Összegzés
Minden évben növekszik a katalitikus eljárások alkalmazási köre a modern ipar különböző területein. Olyan katalizátorokra van kereslet, amelyek lehetővé teszik a környezetre veszélyes anyagok semlegesítését. Növekszik a szintetikus szénhidrogének szénből és gázból történő előállításához szükséges vegyületek szerepe is. Az új technológiák segítenek csökkenteni az energiaköltségeket a különféle anyagok ipari gyártása során.
A katalízisnek köszönhetően lehetséges polimer vegyületek, értékes tulajdonságokkal rendelkező termékek előállítása, a tüzelőanyag elektromos energiává alakításának technológiáinak korszerűsítése, a szükséges anyagok szintézise.emberi élet és tevékenységek.
