Поради бързия растеж на индустрията, каталитичните реакции стават все по-търсени в химическото производство, машиностроенето и металургията. Благодарение на използването на катализатори е възможно нискокачествените суровини да се превърнат в ценен продукт.
Значение
Каталитичните реакции се отличават с разнообразието от използвани агенти. В органичния синтез те допринасят за значително ускоряване на дехидрогенирането, хидрогенирането, хидратацията, окисляването и полимеризацията. Катализаторът може да се счита за "философски камък", който превръща суровините в готови продукти: влакна, лекарства, химикали, торове, горива, пластмаси.
Каталитичните реакции дават възможност за получаване на множество продукти, без които нормалният живот и човешката дейност са невъзможни.
Catalysis ви позволява да ускорите процесите вхиляди и милиони пъти, поради което в момента се използва в 91% от различни химически индустрии.
Интересни факти
Много съвременни индустриални процеси, като синтеза на сярна киселина, могат да се извършват само с помощта на катализатор. Голямо разнообразие от каталитични агенти осигурява създаването на моторни масла за автомобилната индустрия. През 1900 г. за първи път в промишлен мащаб е извършен каталитичен синтез на маргарин от растителни суровини (чрез хидрогениране).
От 1920 г. е разработен механизъм за каталитични реакции при производството на влакна и пластмаси. Знаменателно събитие беше каталитичното производство на естери, олефини, карбоксилни киселини, както и други изходни материали за производството на полимерни съединения.
Рафиниране на петрол
От средата на миналия век каталитични реакции се използват при рафинирането на нефт. Преработката на този ценен природен ресурс включва няколко каталитични процеса наведнъж:
- реформиране;
- крекинг;
- хидросулфониране;
- полимеризация;
- хидрокрекинг;
- алкилиране.
От края на миналия век беше възможно да се разработи каталитичен конвертор за намаляване на емисиите на отработени газове в атмосферата.
Бяха присъдени няколко Нобелови награди за работа в областта на катализата и свързаните с нея области.
Практическа релевантност
Каталитична реакция е всеки процес, който включва използването на ускорители (катализатори). За да се оцени практическото значение на такива взаимодействия, може да се цитират като пример реакциите, свързани с азота и неговите съединения. Тъй като това количество е много ограничено по природа, създаването на хранителен протеин без използването на синтетичен амоняк е много проблематично. Проблемът е решен с разработването на каталитичния процес на Хабер-Бош. Използването на катализатори непрекъснато се разширява, което прави възможно повишаването на ефективността на много технологии.
Производство на амоняк
Нека разгледаме някои каталитични реакции. Примери от неорганичната химия са дадени на базата на най-разпространените индустрии. Синтезът на амоняк е екзотермична, обратима реакция, която се характеризира с намаляване на обема на газообразното вещество. Процесът протича на катализатор, който е поресто желязо с добавка на алуминиев оксид, калций, калий, силиций. Такъв катализатор е активен и стабилен в температурния диапазон от 650-830K.
Необратимо го изпращат серни съединения, по-специално въглероден окис (CO). През последните няколко десетилетия, благодарение на въвеждането на иновативни технологии, натискът беше значително намален. Например, беше направен конвертор, който ви позволява да намалите индикатора за налягане до 8106 - 15106 Pa.
Модернизацията на предната верига значително намали вероятността от откриване на каталитични отрови в нея - серни съединения,хлор. Изискванията към катализатора също са се увеличили значително. Ако по-рано се произвеждаше чрез топене на железни оксиди (накип), добавяне на магнезиев и калциев оксид, сега кобалтовият оксид играе ролята на нов активатор.
Окисление на амоняк
Какви са характеристиките на каталитичните и некаталитичните реакции? Примери за процеси, които зависят от добавянето на определени вещества, могат да бъдат разгледани въз основа на окисляването на амоняка:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Този процес е възможен при температура от около 800°C, както и селективен катализатор. За ускоряване на взаимодействието се използва платина и нейните сплави с манган, желязо, хром и кобалт. В момента основният индустриален катализатор е смес от платина с родий и паладий. Този подход направи възможно значително намаляване на цената на процеса.
Разлагане на вода
Като се имат предвид уравненията на каталитичните реакции, не може да се пренебрегне реакцията на получаване на газообразен кислород и водород чрез водна електролиза. Процесът включва значителни енергийни разходи, така че се използва рядко в промишлен мащаб.
Метална платина с размер на частиците от около 5-10 nm (наноклъстери) действа като оптимален ускорител за такъв процес. Въвеждането на такова вещество ускорява разлагането на водата с 20-30 процента. Други предимства включват стабилността на катализатора с платинен въглероден оксид.
През 2010гекип от американски учени получи евтин катализатор, който намалява консумацията на енергия за водна електролиза. Те се превърнаха в съединение на никел и бор, чиято цена е значително по-ниска от платината. Борно-никеловият катализатор е оценен при производството на промишлен водород.
Синтез на алуминиев йодид
Вземете тази сол, като реагирате на алуминиев прах с йод. Една капка вода е достатъчна, за да действа като катализатор за иницииране на химическа реакция.
Първо, филмът от алуминиев оксид действа като ускорител на процеса. Йодът, разтваряйки се във вода, образува смес от йодоводородна и йодна киселина. Киселината от своя страна разтваря филма от алуминиев оксид, действайки като катализатор за химическия процес.
Обобщаване
Всяка година мащабът на приложение на каталитичните процеси в различни области на съвременната индустрия се увеличава. Търсят се катализатори, които ви позволяват да неутрализирате вещества, които са опасни за околната среда. Нараства и ролята на съединенията, необходими за производството на синтетични въглеводороди от въглища и газ. Новите технологии спомагат за намаляване на разходите за енергия при промишленото производство на различни вещества.
Благодарение на катализа е възможно да се получат полимерни съединения, продукти с ценни свойства, да се модернизират технологиите за преобразуване на горивото в електрическа енергия, да се синтезират вещества, необходими зачовешки живот и дейности.
