Ze względu na szybki rozwój przemysłu, reakcje katalityczne stają się coraz bardziej poszukiwane w produkcji chemicznej, inżynierii mechanicznej i metalurgii. Dzięki zastosowaniu katalizatorów możliwe jest przekształcenie niskogatunkowych surowców w wartościowy produkt.
Znaczenie
Reakcje katalityczne wyróżnia różnorodność użytych środków. W syntezie organicznej przyczyniają się do znacznego przyspieszenia odwodornienia, uwodornienia, uwodnienia, utleniania i polimeryzacji. Katalizator można uznać za „kamień filozoficzny”, który zamienia surowce w gotowe produkty: włókna, leki, chemikalia, nawozy, paliwa, tworzywa sztuczne.
Reakcje katalityczne umożliwiają uzyskanie wielu produktów, bez których normalne życie i aktywność człowieka są niemożliwe.
Catalysis pozwala przyspieszyć procesy wtysiące i miliony razy, dlatego jest obecnie stosowany w 91% różnych gałęzi przemysłu chemicznego.
Ciekawe fakty
Wiele nowoczesnych procesów przemysłowych, takich jak synteza kwasu siarkowego, można przeprowadzić tylko przy użyciu katalizatora. Szeroka gama katalizatorów zapewnia tworzenie olejów silnikowych dla przemysłu motoryzacyjnego. W 1900 roku po raz pierwszy na skalę przemysłową przeprowadzono katalityczną syntezę margaryny z surowców roślinnych (poprzez uwodornienie).
Od 1920 r. opracowano mechanizm reakcji katalitycznych podczas produkcji włókien i tworzyw sztucznych. Przełomowym wydarzeniem była katalityczna produkcja estrów, olefin, kwasów karboksylowych, a także innych materiałów wyjściowych do produkcji związków polimerowych.
Rafinacja oleju
Od połowy ubiegłego wieku w rafinacji ropy naftowej stosuje się reakcje katalityczne. Przetwarzanie tego cennego zasobu naturalnego obejmuje kilka procesów katalitycznych jednocześnie:
- reformowanie;
- pękanie;
- hydrosulfonowanie;
- polimeryzacja;
- hydrokraking;
- alkilacja.
Od końca ubiegłego wieku możliwe było opracowanie katalizatora do redukcji emisji spalin do atmosfery.
Kilka Nagród Nobla przyznano za prace w katalizie i dziedzinach pokrewnych.
Praktyczne znaczenie
Reakcja katalityczna to dowolny proces, w którym wykorzystywane są akceleratory (katalizatory). Aby ocenić praktyczne znaczenie takich oddziaływań, jako przykład można przytoczyć reakcje związane z azotem i jego związkami. Ponieważ ilość ta jest z natury bardzo ograniczona, tworzenie białka spożywczego bez użycia syntetycznego amoniaku jest bardzo problematyczne. Problem został rozwiązany wraz z opracowaniem procesu katalitycznego Haber-Bosch. Zastosowanie katalizatorów stale się rozszerza, co umożliwia zwiększenie wydajności wielu technologii.
Produkcja amoniaku
Rozważmy kilka reakcji katalitycznych. Przykłady z chemii nieorganicznej podano w oparciu o najczęściej spotykane gałęzie przemysłu. Synteza amoniaku jest reakcją egzotermiczną, odwracalną, charakteryzującą się zmniejszeniem objętości substancji gazowej. Proces przebiega na katalizatorze, którym jest porowate żelazo z dodatkiem tlenku glinu, wapnia, potasu, krzemu. Taki katalizator jest aktywny i stabilny w zakresie temperatur 650-830K.
Nieodwracalnie wysyłają do niego związki siarki, w szczególności tlenek węgla (CO). W ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat, dzięki wprowadzeniu innowacyjnych technologii, presja została znacznie zmniejszona. Na przykład wykonano konwerter, który pozwala obniżyć wskaźnik ciśnienia do 8106 - 15106 Pa.
Modernizacja obwodu przedniego znacznie zmniejszyła prawdopodobieństwo znalezienia w nim trucizn katalitycznych – związków siarki,chlor. Znacząco wzrosły również wymagania dotyczące katalizatora. Jeśli wcześniej był wytwarzany przez stopienie tlenków żelaza (zgorzelina), dodanie tlenków magnezu i wapnia, teraz tlenek kob altu pełni rolę nowego aktywatora.
Utlenianie amoniaku
Jaka jest charakterystyka reakcji katalitycznych i niekatalitycznych? Przykłady procesów, które zależą od dodawania pewnych substancji, można rozważyć w oparciu o utlenianie amoniaku:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Ten proces jest możliwy w temperaturze około 800°C, a także w selektywnym katalizatorze. W celu przyspieszenia interakcji stosuje się platynę i jej stopy z manganem, żelazem, chromem i kob altem. Obecnie głównym katalizatorem przemysłowym jest mieszanina platyny z rodem i palladem. Takie podejście pozwoliło na znaczne obniżenie kosztów procesu.
Rozkład wody
Biorąc pod uwagę równania reakcji katalitycznych, nie można pominąć reakcji otrzymywania gazowego tlenu i wodoru przez elektrolizę wody. Proces ten wiąże się ze znacznymi kosztami energii, dlatego jest rzadko wykorzystywany na skalę przemysłową.
Metalowa platyna o wielkości cząstek około 5-10 nm (nanoklastry) działa jako optymalny akcelerator dla takiego procesu. Wprowadzenie takiej substancji przyspiesza rozkład wody o 20-30 proc. Inne korzyści obejmują stabilność katalizatora platynowego tlenku węgla.
W 2010zespół amerykańskich naukowców otrzymał tani katalizator, który zmniejsza zużycie energii do elektrolizy wody. Stały się związkiem niklu i boru, którego koszt jest znacznie niższy niż platyny. Katalizator borowo-niklowy został doceniony w produkcji wodoru przemysłowego.
Synteza jodku glinu
Zdobądź tę sól w reakcji proszku aluminiowego z jodem. Wystarczy jedna kropla wody, aby zadziałać jak katalizator i zainicjować reakcję chemiczną.
Po pierwsze, warstwa tlenku glinu działa jako przyspieszacz procesu. Jod rozpuszczając się w wodzie tworzy mieszaninę kwasów jodowodorowego i jodowego. Kwas z kolei rozpuszcza warstwę tlenku glinu, działając jako katalizator procesu chemicznego.
Podsumuj
Z roku na rok zwiększa się skala zastosowania procesów katalitycznych w różnych obszarach współczesnego przemysłu. Poszukiwane są katalizatory, które umożliwiają neutralizację substancji niebezpiecznych dla środowiska. Rośnie także rola związków niezbędnych do produkcji syntetycznych węglowodorów z węgla i gazu. Nowe technologie pomagają obniżyć koszty energii w przemysłowej produkcji różnych substancji.
Dzięki katalizie można uzyskać związki polimerowe, produkty o cennych właściwościach, unowocześnić technologie przetwarzania paliwa w energię elektryczną, syntetyzować substancje niezbędne doludzkie życie i działalność.
