شیمی علم مواد و تبدیل آنها و نیز روشهای بدست آوردن آنهاست. حتی در یک برنامه درسی معمولی مدرسه، موضوع مهمی مانند انواع واکنش ها در نظر گرفته می شود. طبقه بندی که دانش آموزان در سطح پایه با آن آشنا می شوند، تغییر در درجه اکسیداسیون، فاز دوره، مکانیسم فرآیند و غیره را در نظر می گیرد. واکنش ها نمونه هایی از دگرگونی هایی که با مشارکت یک کاتالیزور اتفاق می افتد توسط یک فرد در زندگی عادی مواجه می شود: تخمیر، پوسیدگی. تبدیل های غیر کاتالیزوری برای ما بسیار نادرتر است.
کاتالیزور چیست
این یک ماده شیمیایی است که می تواند سرعت برهمکنش را تغییر دهد، اما خود در آن شرکت نمی کند. در موردی که فرآیند با کمک کاتالیزور تسریع می شود، ما در مورد کاتالیز مثبت صحبت می کنیم. در صورتی که ماده ای که به فرآیند اضافه می شود سرعت واکنش را کاهش دهد، به آن بازدارنده می گویند.
انواع کاتالیز
کاتالیزور همگن و ناهمگن در فاز متفاوت هستند، درکه مواد اولیه در آن قرار دارند. اگر اجزای اولیه گرفته شده برای فعل و انفعالات، از جمله کاتالیزور، در همان حالت تجمع باشند، کاتالیز همگن ادامه می یابد. در صورتی که مواد فازهای مختلف در واکنش شرکت کنند، کاتالیز ناهمگن رخ می دهد.
انتخابی عمل
کاتالیز فقط وسیله ای برای افزایش بهره وری تجهیزات نیست، بر کیفیت محصولات به دست آمده تأثیر مثبت دارد. این پدیده را می توان با این واقعیت توضیح داد که به دلیل عملکرد انتخابی (انتخابی) اکثر کاتالیزورها، واکنش مستقیم تسریع می شود، فرآیندهای جانبی کاهش می یابد. در نهایت، محصولات به دست آمده از خلوص بالایی برخوردار هستند، نیازی به تصفیه بیشتر مواد نیست. گزینش پذیری عمل کاتالیزور باعث کاهش واقعی هزینه های غیرتولیدی مواد خام می شود که سود اقتصادی خوبی دارد.
مزایای استفاده از کاتالیزور در تولید
چه چیز دیگری واکنش های کاتالیزوری را مشخص می کند؟ نمونه هایی از یک دبیرستان معمولی نشان می دهد که استفاده از یک کاتالیزور اجازه می دهد تا فرآیند در دماهای پایین تر انجام شود. آزمایش ها تایید می کنند که می توان از آن برای کاهش قابل توجه هزینه های انرژی استفاده کرد. این امر به ویژه در شرایط مدرن که کمبود منابع انرژی در جهان وجود دارد بسیار مهم است.
نمونه هایی از تولید کاتالیزوری
چه صنعتی از واکنش های کاتالیزوری استفاده می کند؟ نمونه هایی از این گونه تولیدات:تولید اسیدهای نیتریک و سولفوریک، هیدروژن، آمونیاک، پلیمرها، پالایش نفت. کاتالیز به طور گسترده ای در تولید اسیدهای آلی، الکل های مونوهیدریک و پلی هیدریک، فنل، رزین های مصنوعی، رنگ ها و داروها استفاده می شود.
کاتالیزور چیست
بسیاری از موادی که در جدول تناوبی عناصر شیمیایی دیمیتری ایوانوویچ مندلیف و همچنین ترکیبات آنها وجود دارد، می توانند به عنوان کاتالیزور عمل کنند. از جمله رایج ترین شتاب دهنده ها عبارتند از: نیکل، آهن، پلاتین، کبالت، آلومینوسیلیکات ها، اکسیدهای منگنز.
ویژگی های کاتالیزور
علاوه بر عملکرد انتخابی، کاتالیزورها دارای استحکام مکانیکی عالی هستند، آنها قادر به مقاومت در برابر سموم کاتالیزوری هستند و به راحتی بازسازی می شوند (بازیابی).
بر اساس حالت فاز، واکنش های همگن کاتالیزوری به فاز گاز و فاز مایع تقسیم می شوند.
بیایید نگاهی دقیق تر به این نوع واکنش ها بیندازیم. در محلول‌ها، کاتیون‌های هیدروژن H+، یون‌های پایه هیدروکسید OH-، کاتیون‌های فلزی M+ و موادی که به تشکیل رادیکال‌های آزاد کمک می‌کنند، به عنوان شتاب‌دهنده تبدیل شیمیایی عمل می‌کنند.
جوهر کاتالیز
مکانیسم کاتالیزور در برهمکنش اسیدها و بازها به این صورت است که بین مواد برهم کنش کننده و یون های مثبت کاتالیزور (پروتون ها) تبادل وجود دارد. در این حالت دگرگونی های درون مولکولی صورت می گیرد. با توجه به اینواکنش ها به این صورت است:
- کم آبی (جدایی آب)؛
- هیدراتاسیون (اتصال مولکول های آب)؛
- استری شدن (تشکیل استر از الکل ها و اسیدهای کربوکسیلیک)؛
- polycondensation (تشکیل پلیمر با حذف آب).
نظریه کاتالیز نه تنها خود فرآیند، بلکه دگرگونی های جانبی احتمالی را نیز توضیح می دهد. در مورد کاتالیز ناهمگن، شتاب دهنده فرآیند یک فاز مستقل را تشکیل می دهد، برخی از مراکز روی سطح واکنش دهنده ها دارای خواص کاتالیزوری هستند یا کل سطح درگیر است.
همچنین یک فرآیند ریزهتروژن وجود دارد که شامل حضور یک کاتالیزور در حالت کلوئیدی است. این نوع یک حالت انتقالی از یک نوع کاتالیزور همگن به یک نوع ناهمگن است. بیشتر این فرآیندها بین مواد گازی با استفاده از کاتالیزورهای جامد انجام می شود. آنها می توانند به شکل گرانول، قرص، غلات باشند.
توزیع کاتالیزور در طبیعت
کاتالیز آنزیمی در طبیعت نسبتاً گسترده است. با کمک کاتالیزورهای زیستی است که سنتز مولکول های پروتئین ادامه می یابد، متابولیسم در موجودات زنده انجام می شود. هیچ یک از فرآیندهای بیولوژیکی که با مشارکت موجودات زنده رخ می دهد، واکنش های کاتالیزوری را دور نمی زند. نمونه هایی از فرآیندهای حیاتی: سنتز پروتئین های مخصوص بدن از اسیدهای آمینه. تجزیه چربی ها، پروتئین ها، کربوهیدرات ها.
الگوریتم کاتالیز
بیایید مکانیسم کاتالیز را در نظر بگیریم. این فرآیند که بر روی شتاب‌دهنده‌های متخلخل برهمکنش شیمیایی جامد انجام می‌شود، شاملخودتان چند مرحله ابتدایی:
- انتشار مواد برهم کنش به سطح دانه های کاتالیزور از هسته جریان؛
- انتشار معرفها در منافذ کاتالیزور؛
- جذب شیمیایی (جذب فعال) روی سطح یک تسریع کننده واکنش شیمیایی با ظاهر مواد شیمیایی سطحی - کمپلکس های فعال کاتالیزور- معرف؛
- بازآرایی اتم ها با ظاهر ترکیبات سطحی "کاتالیزور-محصول"؛
- انتشار در منافذ تسریع کننده واکنش محصول؛
- انتشار محصول از سطح دانه شتاب دهنده واکنش به جریان هسته.
واکنش‌های کاتالیزوری و غیر کاتالیزوری آنقدر مهم هستند که دانشمندان سال‌ها به تحقیقات در این زمینه ادامه داده‌اند.
با کاتالیزور همگن، نیازی به ساخت سازه های خاصی نیست. کاتالیز آنزیمی در نسخه هتروژن شامل استفاده از تجهیزات مختلف و خاص است. برای جریان آن، دستگاه های تماس ویژه ای ساخته شده است که بر اساس سطح تماس (در لوله ها، روی دیوارها، شبکه های کاتالیزور) تقسیم می شوند. با یک لایه فیلتر؛ لایه وزن شده؛ با کاتالیزور پودری متحرک.
تبدیل حرارت در دستگاه ها به روش های مختلف اجرا می شود:
- از طریق استفاده از مبدل های حرارتی از راه دور (خارجی)؛
- با کمک مبدل های حرارتی تعبیه شده در دستگاه تماسی.
با تجزیه و تحلیل فرمول های شیمی، می توان چنین واکنش هایی را نیز یافت که در آنها کاتالیزور یکی از محصولات نهایی است که در طی برهمکنش شیمیایی تشکیل می شود.اجزای اصلی.
اینگونه فرآیندها معمولاً خودکاتالیستی نامیده می شوند، خود این پدیده در شیمی خودکاتالیزور نامیده می شود.
سرعت بسیاری از فعل و انفعالات با حضور برخی از مواد در مخلوط واکنش مرتبط است. فرمول آنها در شیمی اغلب نادیده گرفته می شود و با کلمه "کاتالیزور" یا نسخه کوتاه شده آن جایگزین می شود. آنها در معادله استریوشیمیایی نهایی گنجانده نمی شوند، زیرا پس از اتمام برهمکنش از نظر کمی تغییر نمی کنند. در برخی موارد، مقادیر کمی از مواد برای تأثیر قابل توجهی بر سرعت فرآیند کافی است. شرایط همچنین زمانی کاملاً قابل قبول است که ظرف واکنش خود به عنوان یک شتاب دهنده برهمکنش شیمیایی عمل کند.
ماهیت اثر یک کاتالیزور در تغییر سرعت یک فرآیند شیمیایی این است که این ماده در ترکیب کمپلکس فعال قرار می گیرد و بنابراین انرژی فعال سازی برهمکنش شیمیایی را تغییر می دهد.
وقتی این کمپلکس تجزیه می شود، کاتالیزور بازسازی می شود. نکته اصلی این است که هزینه نمی شود، پس از پایان تعامل به همان میزان باقی می ماند. به همین دلیل است که مقدار کمی از ماده فعال برای انجام واکنش با سوبسترا (ماده واکنش دهنده) کاملاً کافی است. در حقیقت، مقادیر ناچیزی از کاتالیزورها هنوز در طی فرآیندهای شیمیایی مصرف می شود، زیرا فرآیندهای جانبی مختلفی امکان پذیر است: مسمومیت آن، تلفات تکنولوژیکی و تغییر در وضعیت سطح یک کاتالیزور جامد. فرمول های شیمی شامل کاتالیزور نمی شوند.
نتیجه گیری
واکنش هایی که در آن یک ماده فعال (کاتالیزور) شرکت می کند، اطراف فرد را احاطه می کند، علاوه بر این، در بدن او نیز رخ می دهد. واکنش های همگن بسیار کمتر از برهمکنش های ناهمگن است. در هر صورت ابتدا کمپلکس های میانی تشکیل می شوند که ناپایدار هستند، به تدریج از بین می روند و بازسازی (بازیابی) تسریع کننده فرآیند شیمیایی مشاهده می شود. به عنوان مثال، هنگامی که اسید متافسفریک با پرسولفات پتاسیم واکنش می دهد، اسید هیدرویدیک به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند. هنگامی که به واکنش دهنده ها اضافه می شود، محلول زرد رنگی تشکیل می شود. با نزدیک شدن به پایان فرآیند، رنگ به تدریج ناپدید می شود. در این حالت ید به عنوان یک محصول میانی عمل می کند و این فرآیند در دو مرحله انجام می شود. اما به محض اینکه اسید متافسفریک سنتز شد، کاتالیزور به حالت اولیه خود باز می گردد. کاتالیزورها در صنعت ضروری هستند، آنها به سرعت بخشیدن به تحولات و به دست آوردن محصولات واکنش با کیفیت بالا کمک می کنند. فرآیندهای بیوشیمیایی در بدن ما نیز بدون مشارکت آنها غیرممکن است.
