Rūpniecības straujās izaugsmes dēļ katalītiskās reakcijas kļūst arvien pieprasītākas ķīmiskajā ražošanā, mašīnbūvē un metalurģijā. Pateicoties katalizatoru izmantošanai, zemas kvalitātes izejvielas ir iespējams pārvērst vērtīgā produktā.
Nozīme
Katalītiskās reakcijas izceļas ar izmantoto līdzekļu dažādību. Organiskajā sintēzē tie veicina ievērojamu dehidrogenēšanas, hidrogenēšanas, hidratācijas, oksidācijas un polimerizācijas paātrinājumu. Katalizatoru var uzskatīt par "filozofu akmeni", kas izejvielas pārvērš gatavos produktos: šķiedras, zāles, ķīmiskās vielas, mēslojums, degviela, plastmasa.
Katalītiskās reakcijas ļauj iegūt daudzus produktus, bez kuriem nav iespējama normāla dzīve un cilvēka darbība.
Katalīze ļauj paātrināt procesustūkstošiem un miljoniem reižu, tāpēc šobrīd to izmanto 91% dažādu ķīmisko nozaru.
Interesanti fakti
Daudzus mūsdienu rūpnieciskos procesus, piemēram, sērskābes sintēzi, var veikt, tikai izmantojot katalizatoru. Plašs katalītisko vielu klāsts nodrošina motoreļļu radīšanu automobiļu rūpniecībai. 1900. gadā pirmo reizi rūpnieciskā mērogā tika veikta margarīna katalītiskā sintēze no augu izejvielām (hidrogenējot).
Kopš 1920. gada ir izstrādāts mehānisms katalītiskām reakcijām šķiedru un plastmasas ražošanā. Nozīmīgs notikums bija esteru, olefīnu, karbonskābju, kā arī citu polimēru savienojumu ražošanas izejmateriālu katalītiskā ražošana.
Naftas rafinēšana
Kopš pagājušā gadsimta vidus naftas pārstrādē tiek izmantotas katalītiskās reakcijas. Šī vērtīgā dabas resursa apstrāde ietver vairākus katalītiskos procesus vienlaikus:
- reformēšana;
- plaisāšana;
- hidrosulfonēšana;
- polimerizācija;
- hidrokrekings;
- alkilēšana.
Kopš pagājušā gadsimta beigām ir bijis iespējams izstrādāt katalītisko neitralizatoru, lai samazinātu izplūdes gāzu emisijas atmosfērā.
Vairākas Nobela prēmijas ir piešķirtas par darbu katalīzē un ar to saistītās jomās.
Praktiskā atbilstība
Katalītiskā reakcija ir jebkurš process, kas ietver paātrinātāju (katalizatoru) izmantošanu. Lai novērtētu šādas mijiedarbības praktisko nozīmi, kā piemēru var minēt reakcijas, kas saistītas ar slāpekli un tā savienojumiem. Tā kā šis daudzums pēc būtības ir ļoti ierobežots, pārtikas olb altumvielu radīšana, neizmantojot sintētisko amonjaku, ir ļoti problemātiska. Problēma tika atrisināta ar Haber-Bosch katalītiskā procesa izstrādi. Katalizatoru izmantošana pastāvīgi paplašinās, kas ļauj palielināt daudzu tehnoloģiju efektivitāti.
Amonjaka ražošana
Apskatīsim dažas katalītiskās reakcijas. Piemēri no neorganiskās ķīmijas ir sniegti, pamatojoties uz visbiežāk sastopamajām nozarēm. Amonjaka sintēze ir eksotermiska, atgriezeniska reakcija, ko raksturo gāzveida vielas tilpuma samazināšanās. Process notiek uz katalizatora, kas ir porains dzelzs, pievienojot alumīnija oksīdu, kalciju, kāliju, silīciju. Šāds katalizators ir aktīvs un stabils temperatūras diapazonā no 650-830K.
Neatgriezeniski nosūtiet tai sēra savienojumus, jo īpaši oglekļa monoksīdu (CO). Pēdējo desmitgažu laikā, pateicoties novatorisku tehnoloģiju ieviešanai, spiediens ir ievērojami samazināts. Piemēram, tika izgatavots pārveidotājs, kas ļauj pazemināt spiediena indikatoru līdz 8106 - 15106 Pa.
Priekšējās ķēdes modernizācija ir ievērojami samazinājusi iespēju tajā atrast katalītiskās indes - sēra savienojumus,hlors. Ievērojami pieaugušas arī prasības katalizatoram. Ja agrāk tas tika ražots, kausējot dzelzs oksīdus (katlas), pievienojot magnija un kalcija oksīdus, tad tagad kob alta oksīdam ir jauna aktivatora loma.
Amonjaka oksidēšana
Kādas ir katalītisko un nekatalītisko reakciju īpašības? Pamatojoties uz amonjaka oksidēšanu, var apsvērt tādu procesu piemērus, kas ir atkarīgi no noteiktu vielu pievienošanas:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Šis process ir iespējams aptuveni 800°C temperatūrā, kā arī selektīvs katalizators. Lai paātrinātu mijiedarbību, tiek izmantots platīns un tā sakausējumi ar mangānu, dzelzi, hromu un kob altu. Pašlaik galvenais rūpnieciskais katalizators ir platīna maisījums ar rodiju un pallādiju. Šī pieeja ļāva ievērojami samazināt procesa izmaksas.
Ūdens sadalīšanās
Ņemot vērā katalītisko reakciju vienādojumus, nevar ignorēt gāzveida skābekļa un ūdeņraža iegūšanas reakciju ar ūdens elektrolīzi. Process ir saistīts ar ievērojamām enerģijas izmaksām, tāpēc rūpnieciskā mērogā to izmanto reti.
Metāla platīns ar daļiņu izmēru aptuveni 5-10 nm (nanoklasteri) darbojas kā optimāls paātrinātājs šādam procesam. Šādas vielas ievadīšana paātrina ūdens sadalīšanos par 20-30 procentiem. Citas priekšrocības ietver platīna oglekļa monoksīda katalizatora stabilitāti.
2010. gadāamerikāņu zinātnieku komanda saņēma lētu katalizatoru, kas samazina enerģijas patēriņu ūdens elektrolīzei. Tie kļuva par niķeļa un bora savienojumu, kura izmaksas ir ievērojami zemākas nekā platīna. Bora-niķeļa katalizators ir novērtēts rūpnieciskā ūdeņraža ražošanā.
Alumīnija jodīda sintēze
Iegūstiet šo sāli, reaģējot alumīnija pulveri ar jodu. Pietiek ar vienu ūdens pilienu, lai tas darbotos kā katalizators ķīmiskas reakcijas ierosināšanai.
Pirmkārt, alumīnija oksīda plēve darbojas kā procesa paātrinātājs. Jods, izšķīdinot ūdenī, veido jodūdeņražskābes un jodskābes maisījumu. Savukārt skābe izšķīdina alumīnija oksīda plēvi, darbojoties kā ķīmiskā procesa katalizators.
Apkopojiet
Ar katru gadu palielinās katalītisko procesu pielietojuma mērogs dažādās mūsdienu rūpniecības jomās. Ir pieprasīti katalizatori, kas ļauj neitralizēt videi bīstamas vielas. Pieaug arī to savienojumu loma, kas nepieciešami sintētisko ogļūdeņražu ražošanai no oglēm un gāzes. Jaunās tehnoloģijas palīdz samazināt enerģijas izmaksas dažādu vielu rūpnieciskajā ražošanā.
Pateicoties katalīzei, iespējams iegūt polimēru savienojumus, produktus ar vērtīgām īpašībām, modernizēt tehnoloģijas degvielas pārvēršanai elektroenerģijā, sintezēt nepieciešamās vielascilvēka dzīve un darbības.
