Zaradi hitre rasti industrije postajajo katalitične reakcije vse bolj povprašene v kemični proizvodnji, strojništvu in metalurgiji. Zahvaljujoč uporabi katalizatorjev je mogoče nizkokakovostne surovine spremeniti v dragocen izdelek.
Pomen
Katalitične reakcije se razlikujejo po raznolikosti uporabljenih sredstev. V organski sintezi prispevajo k znatnemu pospeševanju dehidrogenacije, hidrogenacije, hidratacije, oksidacije in polimerizacije. Katalizator lahko štejemo za "filozofski kamen", ki pretvarja surovine v končne izdelke: vlakna, zdravila, kemikalije, gnojila, goriva, plastiko.
Katalitične reakcije omogočajo pridobivanje številnih izdelkov, brez katerih normalno življenje in človekova dejavnost nista nemogoča.
Kataliza vam omogoča, da pospešite procesetisoče in milijone krat, zato se trenutno uporablja v 91 % različnih kemičnih industrij.
Zanimiva dejstva
Veliko sodobnih industrijskih procesov, kot je sinteza žveplove kisline, je mogoče izvesti le z uporabo katalizatorja. Široka paleta katalitičnih sredstev zagotavlja izdelavo motornih olj za avtomobilsko industrijo. Leta 1900 je bila prvič v industrijskem obsegu izvedena katalitična sinteza margarine iz rastlinskih surovin (s hidrogeniranjem).
Od leta 1920 je bil razvit mehanizem za katalitične reakcije pri proizvodnji vlaken in plastike. Prelomni dogodek je bila katalitična proizvodnja estrov, olefinov, karboksilnih kislin, pa tudi drugih izhodnih materialov za proizvodnjo polimernih spojin.
Rafiniranje nafte
Od sredine prejšnjega stoletja se pri rafiniranju nafte uporabljajo katalitične reakcije. Predelava tega dragocenega naravnega vira vključuje več katalitičnih procesov hkrati:
- reformiranje;
- pokanje;
- hidrosulfoniranje;
- polimerizacija;
- hidrokreking;
- alkilacija.
Od konca prejšnjega stoletja je bilo mogoče razviti katalizator za zmanjšanje emisij izpušnih plinov v ozračje.
Za delo na katalizi in sorodnih področjih je bilo podeljenih več Nobelovih nagrad.
Praktična ustreznost
Katalitična reakcija je vsak proces, ki vključuje uporabo pospeševalnikov (katalizatorjev). Za oceno praktičnega pomena takšnih interakcij lahko navedemo kot primer reakcije, povezane z dušikom in njegovimi spojinami. Ker je ta količina po naravi zelo omejena, je ustvarjanje živilskih beljakovin brez uporabe sintetičnega amoniaka zelo problematično. Problem je bil rešen z razvojem Haber-Boschevega katalitskega procesa. Uporaba katalizatorjev se nenehno širi, kar omogoča povečanje učinkovitosti številnih tehnologij.
proizvodnja amoniaka
Upoštevajmo nekaj katalitičnih reakcij. Primeri iz anorganske kemije so podani na podlagi najpogostejših industrij. Sinteza amoniaka je eksotermna, reverzibilna reakcija, za katero je značilno zmanjšanje volumna plinaste snovi. Postopek poteka na katalizatorju, ki je porozno železo z dodatkom aluminijevega oksida, kalcija, kalija, silicija. Tak katalizator je aktiven in stabilen v temperaturnem območju 650-830K.
Nepovratno pošlje žveplove spojine, zlasti ogljikov monoksid (CO). V zadnjih nekaj desetletjih se je zaradi uvedbe inovativnih tehnologij pritisk bistveno zmanjšal. Na primer, izdelan je bil pretvornik, ki omogoča znižanje indikatorja tlaka na 8106 - 15106 Pa.
Modernizacija sprednjega kroga je znatno zmanjšala verjetnost, da bi v njem našli katalitične strupe - žveplove spojine,klor. Zelo so se povečale tudi zahteve za katalizator. Če so ga prej proizvajali s taljenjem železovih oksidov (kast), dodajanjem magnezijevih in kalcijevih oksidov, ima zdaj kob altov oksid vlogo novega aktivatorja.
Oksidacija amoniaka
Kakšne so značilnosti katalitičnih in nekatalitičnih reakcij? Na podlagi oksidacije amoniaka lahko upoštevamo primere procesov, ki so odvisni od dodajanja določenih snovi:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Ta postopek je možen pri temperaturi okoli 800°C, pa tudi s selektivnim katalizatorjem. Za pospešitev interakcije se uporablja platina in njene zlitine z manganom, železom, kromom in kob altom. Trenutno je glavni industrijski katalizator mešanica platine z rodijem in paladijem. Ta pristop je omogočil znatno znižanje stroškov postopka.
Razgradnja vode
Glede na enačbe katalitskih reakcij ne moremo prezreti reakcije pridobivanja plinastega kisika in vodika z vodno elektrolizo. Postopek vključuje znatne stroške energije, zato se v industrijskem obsegu uporablja redko.
Kovinska platina z velikostjo delcev približno 5-10 nm (nanoklasteri) deluje kot optimalen pospeševalnik za tak proces. Uvedba takšne snovi pospeši razgradnjo vode za 20-30 odstotkov. Druge prednosti vključujejo stabilnost katalizatorja platinskega ogljikovega monoksida.
Leta 2010skupina ameriških znanstvenikov je prejela poceni katalizator, ki zmanjšuje porabo energije za elektrolizo vode. Postali so spojina niklja in bora, katerih cena je bistveno nižja od platine. Bor-nikljev katalizator je bil cenjen pri proizvodnji industrijskega vodika.
Sinteza aluminijevega jodida
Pridobite to sol z reakcijo aluminija v prahu z jodom. Ena kapljica vode je dovolj, da deluje kot katalizator za sprožitev kemične reakcije.
Prvič, film iz aluminijevega oksida deluje kot pospeševalnik procesa. Jod, ki se raztopi v vodi, tvori mešanico jodovodikove in jodne kisline. Kislina pa raztopi film iz aluminijevega oksida in deluje kot katalizator za kemični proces.
Povzetek
Vsako leto se obseg uporabe katalitskih procesov na različnih področjih sodobne industrije povečuje. Povpraševanje po katalizatorjih, ki vam omogočajo nevtralizacijo snovi, ki so nevarne za okolje. Poveča se tudi vloga spojin, ki so potrebne za proizvodnjo sintetičnih ogljikovodikov iz premoga in plina. Nove tehnologije pomagajo zmanjšati stroške energije pri industrijski proizvodnji različnih snovi.
Zahvaljujoč katalizi je mogoče pridobiti polimerne spojine, izdelke z dragocenimi lastnostmi, posodobiti tehnologije za pretvorbo goriva v električno energijo, sintetizirati snovi, potrebne začloveško življenje in dejavnosti.
