کاتالیزور

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

یک فیلتر هوا که از یک کاتالیزور اکسیداسیون با دمای پایین برای تبدیل مونوکسید کربن به دی اکسید کربن کمتر سمی در دمای اتاق استفاده می کند. همچنین می تواند فرمالدئید را از هوا حذف کند.

کاتالیز ( / k ə ˈ t æ l ə s ɪ s / ) فرآیند افزایش سرعت یک واکنش شیمیایی با افزودن ماده ای است که به عنوان کاتالیزور شناخته می شود [1] [2] ( / ˈ k æ t əl ɪ s t / ). کاتالیزورها در واکنش مصرف نمی شوند و پس از آن بدون تغییر باقی می مانند. اگر واکنش سریع باشد و کاتالیزور به سرعت بازیافت شود، مقادیر بسیار کمی از کاتالیزور اغلب کافی است. [3]اختلاط، سطح و دما عوامل مهمی در سرعت واکنش هستند. کاتالیزورها به طور کلی با یک یا چند واکنش دهنده واکنش می دهند تا واسطه هایی را تشکیل دهند که متعاقباً محصول واکنش نهایی را در فرآیند بازسازی کاتالیزور ایجاد می کنند.

کاتالیز ممکن است به عنوان همگن ، که اجزای آن در همان فاز پراکنده (معمولاً گاز یا مایع) واکنش دهنده هستند، یا ناهمگن ، که اجزای آن در یک فاز نیستند، طبقه بندی شود. آنزیم ها و سایر کاتالیزورهای زیستی اغلب به عنوان دسته سوم در نظر گرفته می شوند.

کاتالیز در همه انواع صنایع شیمیایی وجود دارد. برآوردها حاکی از آن است که 90 درصد از تمام محصولات شیمیایی تولید شده تجاری شامل کاتالیزورهایی در مراحلی از فرآیند تولید آنها می شود.

اصطلاح "کاتالیزور" از یونانی καταλύειν ، katalúō مشتق شده است که به معنای "شل کردن" یا "باز کردن گره" است. مفهوم کاتالیز توسط شیمیدان الیزابت فولهام ، بر اساس کار جدید او در آزمایش‌های کاهش اکسیداسیون ابداع شد. [4] [5]

اصول کلی

تصویرسازی

مثال، عدم تناسب پراکسید هیدروژن با آب و اکسیژن است :

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

این واکنش به این دلیل ادامه می یابد که محصولات واکنش پایدارتر از ماده اولیه هستند. واکنش کاتالیز نشده کند است. در واقع، تجزیه پراکسید هیدروژن به قدری آهسته است که محلول های پراکسید هیدروژن به صورت تجاری در دسترس هستند. این واکنش به شدت تحت تأثیر کاتالیزورهایی مانند دی اکسید منگنز یا آنزیم پراکسیداز موجودات است. با افزودن مقدار کمی دی اکسید منگنز ، پراکسید هیدروژن به سرعت واکنش نشان می دهد. این اثر به راحتی با جوشاندن اکسیژن قابل مشاهده است. [6] دی اکسید منگنز در واکنش مصرف نمی شود و بنابراین ممکن است بدون تغییر بازیابی شود و به طور نامحدود دوباره مورد استفاده قرار گیرد. بر این اساس، دی اکسید منگنز کاتالیز می کنداین واکنش

واحدها

واحد مشتق شده از SI برای اندازه گیری فعالیت کاتالیزوری یک کاتالیزور کاتال است که بر حسب مول در ثانیه اندازه گیری می شود. بهره وری یک کاتالیزور را می توان با عدد گردش (یا TON) و فعالیت کاتالیزوری با فرکانس چرخش (TOF) توصیف کرد که TON در واحد زمان است. معادل بیوشیمیایی واحد آنزیم است . برای اطلاعات بیشتر در مورد کارایی کاتالیز آنزیمی، به مقاله در مورد آنزیم ها مراجعه کنید.

مکانیسم های واکنش کاتالیزوری

به طور کلی، واکنش‌های شیمیایی در حضور یک کاتالیزور سریع‌تر اتفاق می‌افتند، زیرا کاتالیزور یک مسیر واکنش جایگزین - یا مکانیسم - با انرژی فعال‌سازی کمتری نسبت به مکانیسم غیرکاتالیزور ارائه می‌کند. در مکانیسم‌های کاتالیزور، کاتالیزور معمولا واکنش نشان می‌دهد تا یک واسطه تشکیل دهد ، که سپس کاتالیزور اصلی را در فرآیند بازسازی می‌کند. [7]

کاتالیزورها به طور کلی با یک یا چند واکنش دهنده واکنش می دهند و واسطه هایی را تشکیل می دهند که متعاقباً محصول نهایی واکنش را می دهند. در این فرآیند، کاتالیزور بازسازی می شود. در اصل، اغلب فقط مقادیر کمی کاتالیزور برای افزایش سرعت واکنش مورد نیاز است. اما در عمل، کاتالیزورها گاهی کند هستند یا حتی در فرآیندهای ثانویه مصرف می شوند. کاتالیزور اغلب در معادله نرخ ظاهر می شود . [8] [9] [10]

به عنوان یک مثال ساده در فاز گاز، واکنش 2 SO 2 + O 2 → 2 SO 3 را می توان با افزودن اکسید نیتریک کاتالیز کرد . مکانیسم واکنش در دو مرحله انجام می شود:

2 NO + O 2 → 2 NO 2 (آهسته)
NO 2 + SO 2 → NO + SO 3 (سریع، دو بار)

واکنش کلی معادله اول به اضافه دو برابر واکنش دوم است، به طوری که کاتالیزور NO دوباره تولید می شود و در واکنش خالص شرکت نمی کند. نرخ کلی نرخ گام آهسته است [10]

v = 2k 1 [NO] 2 [O 2 ].

به عنوان مثالی از مکانیزم دقیق برای کاتالیز ناهمگن در یک سطح، هنگامی که اکسیژن و هیدروژن روی سطح دی اکسید تیتانیوم (TiO 2 یا تیتانیا ) ترکیب می شوند و آب تولید می کنند. میکروسکوپ تونل زنی روبشی نشان داد که مولکول ها قبل از واکنش تحت جذب ، تفکیک و انتشار قرار می گیرند. حالت های واکنش میانی عبارت بودند از: HO 2 ، H 2 O 2 ، سپس H 3 O 2 و محصول نهایی واکنش ( دیمرهای مولکول آب) پس از آن مولکول آب از سطح کاتالیزور دفع می شود. [11] [12]

انرژی واکنش

نمودار انرژی پتانسیل عمومی که اثر یک کاتالیزور را در یک واکنش شیمیایی گرمازا فرضی X + Y نشان می دهد تا Z را نشان دهد. حضور کاتالیزور یک مسیر واکنش متفاوت (با رنگ قرمز نشان داده شده است) با انرژی فعال سازی کمتر را باز می کند. نتیجه نهایی و ترمودینامیک کلی یکسان است.

کاتالیزورها با ارائه یک مکانیسم (جایگزین) شامل یک حالت گذار متفاوت و انرژی فعال سازی کمتر کار می کنند . در نتیجه، برخوردهای مولکولی بیشتری انرژی لازم برای رسیدن به حالت گذار را دارند. از این رو، کاتالیزورها می توانند واکنش هایی را فعال کنند که در غیر این صورت توسط یک مانع جنبشی مسدود یا کند می شوند. کاتالیزور ممکن است سرعت واکنش یا گزینش پذیری را افزایش دهد یا واکنش را در دماهای پایین تر فعال کند. این اثر را می توان با نمودار مشخصات انرژی نشان داد.

در واکنش ابتدایی کاتالیزور، کاتالیزورها میزان واکنش را تغییر نمی‌دهند : آنها تأثیری بر تعادل شیمیایی یک واکنش ندارند زیرا سرعت واکنش رو به جلو و معکوس هر دو تحت تأثیر قرار می‌گیرند (همچنین به ترمودینامیک مراجعه کنید ). [13] قانون دوم ترمودینامیک توضیح می دهد که چرا یک کاتالیزور تعادل شیمیایی یک واکنش را تغییر نمی دهد. فرض کنید چنین کاتالیزوری وجود دارد که تعادل را تغییر می دهد. معرفی کاتالیزور به سیستم منجر به واکنشی برای حرکت به سمت تعادل جدید و تولید انرژی می شود. تولید انرژی یک نتیجه ضروری است زیرا واکنش ها فقط در صورتی خود به خود هستندانرژی رایگان گیبس تولید می شود و اگر مانع انرژی وجود نداشته باشد، نیازی به کاتالیزور نیست. سپس، حذف کاتالیزور نیز منجر به واکنش و تولید انرژی می شود. یعنی افزودن و فرآیند معکوس آن، حذف، هر دو انرژی تولید می کنند. بنابراین، کاتالیزوری که بتواند تعادل را تغییر دهد، یک ماشین حرکت دائمی خواهد بود ، که در تضاد با قوانین ترمودینامیک است. [14] بنابراین، کاتالیزور ثابت تعادل را تغییر نمی دهد. (با این حال، یک کاتالیزور می تواند غلظت تعادل را با واکنش در مرحله بعدی تغییر دهد. سپس با ادامه واکنش مصرف می شود، و بنابراین یک واکنش دهنده نیز می شود. مثال، هیدرولیز کاتالیز شده با پایه استرها است ، که در آن تولید می شود.اسید کربوکسیلیک بلافاصله با کاتالیزور پایه واکنش می دهد و بنابراین تعادل واکنش به سمت هیدرولیز تغییر می کند.

کاتالیزور بیش از آنکه ماده اولیه را تثبیت کند، حالت گذار را تثبیت می کند. با کاهش اختلاف انرژی بین ماده اولیه و حالت گذار، مانع جنبشی را کاهش می دهد. تفاوت انرژی بین مواد اولیه و محصولات (سد ترمودینامیکی) یا انرژی موجود (این انرژی توسط محیط به عنوان گرما یا نور ارائه می شود) را تغییر نمی دهد .

مفاهیم مرتبط

برخی از به اصطلاح کاتالیزورها واقعاً پیش کاتالیزور هستند . پیش کاتالیزورها در واکنش به کاتالیزور تبدیل می شوند. به عنوان مثال، کاتالیزور ویلکینسون RhCl(PPh 3 ) 3 یک لیگاند تری فنیل فسفین را قبل از ورود به چرخه کاتالیزوری واقعی از دست می دهد. ذخیره سازی پیش کاتالیست ها آسان تر است اما به راحتی در محل فعال می شوند. به دلیل این مرحله پیش فعال سازی، بسیاری از واکنش های کاتالیزوری شامل یک دوره القایی است .

در کاتالیز تعاونی ، گونه های شیمیایی که فعالیت کاتالیزوری را بهبود می بخشند، کوکاتالیست یا پروموتر نامیده می شوند .

در کاتالیز پشت سر هم دو یا چند کاتالیزور مختلف در یک واکنش یک گلدانی جفت می شوند.

در اتوکاتالیزور ، کاتالیزور محصول واکنش کلی است، برخلاف سایر انواع کاتالیز که در این مقاله در نظر گرفته شده است. ساده ترین مثال اتوکاتالیز واکنشی از نوع A + B → 2 B است که در یک یا چند مرحله انجام می شود. واکنش کلی فقط A → B است، بنابراین B ​​یک محصول است. اما از آنجایی که B نیز یک واکنش دهنده است، ممکن است در معادله سرعت وجود داشته باشد و بر سرعت واکنش تأثیر بگذارد. با ادامه واکنش، غلظت B افزایش می یابد و می تواند واکنش را به عنوان یک کاتالیزور تسریع کند. در واقع، واکنش سرعت خود را افزایش می دهد یا به صورت خودکار کاتالیز می شود. به عنوان مثال، هیدرولیز یک استر مانند آسپرین به یک اسید کربوکسیلیک و یک الکل است. در غیاب کاتالیزورهای اسیدی اضافه شده، محصول کربوکسیلیک اسید هیدرولیز را کاتالیز می کند.

طبقه بندی

کاتالیز ممکن است به دو دسته همگن یا ناهمگن طبقه بندی شود . کاتالیز همگن کاتالیزوری است که اجزای آن در همان فاز (معمولاً گاز یا مایع) به عنوان مولکول های واکنش دهنده پراکنده شده اند . کاتالیز ناهمگن کاتالیزوری است که اجزای واکنش در یک فاز نیستند . آنزیم ها و سایر کاتالیزورهای زیستی اغلب به عنوان دسته سوم در نظر گرفته می شوند. اصول مکانیکی مشابه برای کاتالیزورهای ناهمگن، همگن و زیستی اعمال می شود.

کاتالیز ناهمگن

ساختار مولکولی ریز متخلخل زئولیت ZSM-5 در کاتالیزورهای مورد استفاده در پالایشگاه ها مورد استفاده قرار می گیرد.
زئولیت ها به صورت گلوله برای جابجایی آسان در راکتورهای کاتالیزوری اکسترود می شوند.

کاتالیزورهای ناهمگن در فازی متفاوت از واکنش دهنده ها عمل می کنند . اکثر کاتالیزورهای ناهمگن جامداتی هستند که بر روی بسترهای یک مخلوط واکنش مایع یا گاز عمل می کنند . کاتالیزورهای ناهمگن مهم عبارتند از زئولیت ها ، آلومینا ، اکسیدهای درجه بالاتر، کربن گرافیتی، اکسیدهای فلزات واسطه ، فلزاتی مانند نیکل رانی برای هیدروژناسیون، و اکسید وانادیم (V) برای اکسیداسیون دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد که توسط این مواد تبدیل شده است. فرآیند تماس . [16]

مکانیسم‌های مختلفی برای واکنش‌ها بر روی سطوح ، بسته به نحوه جذب، شناخته شده‌اند ( لنگمویر -هینسلوود ، الی رایدال ، و مارسوان کرولن ) . [17] سطح کل جامد تأثیر مهمی بر سرعت واکنش دارد. هرچه اندازه ذرات کاتالیزور کوچکتر باشد، مساحت سطح برای یک جرم معین از ذرات بزرگتر است.

یک کاتالیزور ناهمگن دارای مکان‌های فعالی است که اتم‌ها یا وجه‌های کریستالی هستند که در آن واکنش واقعاً رخ می‌دهد. بسته به مکانیسم، محل فعال ممکن است یک سطح فلزی صاف، یک لبه کریستالی با ظرفیت فلزی ناقص یا ترکیبی پیچیده از این دو باشد. بنابراین، نه تنها بیشتر حجم، بلکه بیشتر سطح یک کاتالیزور ناهمگن ممکن است از نظر کاتالیستی غیر فعال باشد. یافتن ماهیت سایت فعال نیازمند تحقیقات فنی چالش برانگیز است. بنابراین، تحقیقات تجربی برای یافتن ترکیبات فلزی جدید برای کاتالیز ادامه دارد.

به عنوان مثال، در فرآیند هابر ، آهن ریز تقسیم شده به عنوان یک کاتالیزور برای سنتز آمونیاک از نیتروژن و هیدروژن عمل می کند. گازهای واکنش دهنده به مکان های فعال روی ذرات آهن جذب می شوند. پس از جذب فیزیکی، معرف‌ها تحت جذب شیمیایی قرار می‌گیرند که منجر به تفکیک به گونه‌های اتمی جذب‌شده می‌شود و پیوندهای جدید بین قطعات حاصل تا حدی به دلیل نزدیکی آنها ایجاد می‌شود. [ نیاز به نقل از ] به این ترتیب پیوند سه گانه به خصوص قوی استدر نیتروژن شکسته می شود، که در فاز گاز به دلیل انرژی فعال سازی بالای آن بسیار غیر معمول است. بنابراین، انرژی فعال سازی واکنش کلی کاهش می یابد و سرعت واکنش افزایش می یابد. [ نیاز به منبع ] مکان دیگری که در آن یک کاتالیزور ناهمگن استفاده می شود، اکسیداسیون دی اکسید گوگرد روی اکسید وانادیوم (V) برای تولید اسید سولفوریک است . [16]

کاتالیزورهای ناهمگن معمولاً " پشتیبانی می شوند "، به این معنی که کاتالیزور بر روی ماده دوم پراکنده می شود که کارایی آنها را افزایش می دهد یا هزینه آنها را به حداقل می رساند. ساپورت ها از تجمع و تف جوشی ذرات کوچک کاتالیزور جلوگیری یا کاهش می دهند و سطح بیشتری را در معرض دید قرار می دهند، بنابراین کاتالیزورها فعالیت ویژه بالاتری (در هر گرم) روی یک تکیه گاه دارند. گاهی اوقات تکیه گاه صرفاً سطحی است که کاتالیزور برای افزایش سطح روی آن پخش می شود. اغلب، تکیه گاه و کاتالیزور با هم تعامل دارند و بر واکنش کاتالیزوری تأثیر می گذارند. پشتیبانی همچنین می تواند در سنتز نانوذرات با ایجاد مکان هایی برای مولکول های جداگانه کاتالیزور برای اتصال شیمیایی استفاده شود. تکیه گاه ها مواد متخلخل با سطح بالایی هستند که معمولاً آلومینا ، زئولیت ها هستندیا انواع مختلف کربن فعال . پشتیبانی های تخصصی شامل دی اکسید سیلیکون ، دی اکسید تیتانیوم ، کربنات کلسیم و سولفات باریم است. [ نیازمند منبع ]

در واکنش های دوغاب، کاتالیزورهای ناهمگن را می توان با حل شدن از دست داد.

بسیاری از کاتالیزورهای ناهمگن در واقع نانومواد هستند. کاتالیزورهای مبتنی بر نانومواد با فعالیت های تقلید آنزیم در مجموع به عنوان نانوزیم نامیده می شوند . [18]

الکتروکاتالیست ها

در زمینه الکتروشیمی ، به ویژه در مهندسی پیل سوختی ، کاتالیزورهای مختلف حاوی فلز برای افزایش سرعت نیمه واکنش هایی که پیل سوختی را تشکیل می دهند، استفاده می شود. یکی از انواع متداول الکتروکاتالیست پیل سوختی بر پایه نانوذرات پلاتین است که بر روی ذرات کربن کمی بزرگتر حمایت می شود. هنگامی که این پلاتین با یکی از الکترودهای پیل سوختی تماس پیدا می کند، سرعت کاهش اکسیژن به آب یا هیدروکسید یا پراکسید هیدروژن را افزایش می دهد.

کاتالیز همگن

کاتالیزورهای همگن در همان فاز واکنش دهنده ها عمل می کنند. به طور معمول کاتالیزورهای همگن در یک حلال با بسترها حل می شوند. یک نمونه از کاتالیز همگن شامل تأثیر H + بر استری شدن اسیدهای کربوکسیلیک، مانند تشکیل متیل استات از اسید استیک و متانول است. [19] فرآیندهای با حجم بالا که نیاز به یک کاتالیزور همگن دارند شامل هیدروفورمیلاسیون ، هیدروسیلیلاسیون ، هیدروسیاناسیون است. برای شیمیدانان معدنی، کاتالیز همگن اغلب مترادف با کاتالیزورهای آلی فلزی است. [20] با این حال، بسیاری از کاتالیزورهای همگن آلی فلزی نیستند، که با استفاده از نمک های کبالت که اکسیداسیون p-xylene به اسید ترفتالیک را کاتالیز می کنند نشان داده شده است .

کاتالیز ارگانیک

در حالی که فلزات واسطه گاهی بیشتر توجه را در مطالعه کاتالیز به خود جلب می کنند، مولکول های آلی کوچک بدون فلز نیز می توانند خواص کاتالیزوری از خود نشان دهند، همانطور که از این واقعیت آشکار است که بسیاری از آنزیم ها فاقد فلزات واسطه هستند. به طور معمول، کاتالیزورهای آلی به بارگذاری بالاتری (مقدار کاتالیزور در واحد مقدار واکنش دهنده، بیان شده بر حسب مول درصد ماده ) نسبت به کاتالیزورهای مبتنی بر فلزات واسطه (یون) نیاز دارند، اما این کاتالیزورها معمولاً به صورت فله در بازار موجود هستند و به کاهش کمک می کنند. هزینه ها در اوایل دهه 2000، این کاتالیزورهای ارگانیک به عنوان "نسل جدید" در نظر گرفته شدند و با فلزات سنتی قابل رقابت هستند.کاتالیزورهای حاوی (-یون) قرار است کاتالیزورهای ارگانیک مانند آنزیم های بدون فلز با استفاده از برهمکنش های غیرکووالانسی مانند پیوند هیدروژنی عمل کنند. رشته ارگانوکاتالیزور به ترتیب به کاربرد ارگانوکاتالیزورهای کووالانسی (مثلاً پرولین ، DMAP ) و غیرکووالانسی (مثلاً ارگانوکاتالیزور تیوریا ) تقسیم می شود که به ترتیب به پیوند و برهمکنش کاتالیزور- بستر ترجیحی اشاره دارد.

فوتوکاتالیست ها

فوتوکاتالیز پدیده‌ای است که در آن کاتالیزور می‌تواند نور را دریافت کند (مانند نور مرئی)، به حالت برانگیخته ارتقا یابد و سپس با ماده اولیه تلاقی بین سیستمی انجام دهد و بدون مصرف به حالت اولیه بازگردد. سپس حالت برانگیخته ماده اولیه تحت واکنش هایی قرار می گیرد که معمولاً اگر مستقیماً روشن می شد نمی توانست. به عنوان مثال، اکسیژن منفرد معمولاً با فوتوکاتالیز تولید می شود. فوتوکاتالیست ها نیز جزء اصلی سلول های خورشیدی حساس به رنگ هستند .

آنزیم ها و کاتالیزورهای زیستی

در زیست شناسی، آنزیم ها کاتالیزورهای مبتنی بر پروتئین در متابولیسم و کاتابولیسم هستند. بیشتر بیوکاتالیست‌ها آنزیم هستند، اما سایر کلاس‌های بیومولکول‌های غیر پروتئینی نیز خواص کاتالیزوری از جمله ریبوزیم‌ها و دئوکسی ریبوزیم‌های مصنوعی را نشان می‌دهند . [21]

بیوکاتالیست‌ها را می‌توان به‌عنوان واسطه‌ای بین کاتالیزورهای همگن و ناهمگن در نظر گرفت، اگرچه آنزیم‌های محلول به طور دقیق کاتالیزورهای همگن و آنزیم‌های متصل به غشاء ناهمگن هستند. عوامل متعددی بر فعالیت آنزیم ها (و سایر کاتالیزورها) از جمله دما، pH، غلظت آنزیم، بستر و محصولات تأثیر می گذارند. یک معرف مهم در واکنش های آنزیمی آب است که محصول بسیاری از واکنش های تشکیل پیوند و واکنش دهنده در بسیاری از فرآیندهای شکستن پیوند است.

در کاتالیز زیستی ، از آنزیم ها برای تهیه بسیاری از مواد شیمیایی کالایی از جمله شربت ذرت با فروکتوز بالا و آکریل آمید استفاده می شود.

برخی از آنتی بادی های مونوکلونال که هدف اتصال آنها یک مولکول پایدار است که شبیه حالت گذار یک واکنش شیمیایی است، می توانند با کاهش انرژی فعال سازی آن به عنوان کاتالیزور ضعیف برای آن واکنش شیمیایی عمل کنند. [22] چنین آنتی بادی های کاتالیزوری گاهی اوقات " ابزیم " نامیده می شوند.

اهمیت

سمت چپ: شکر مکعبی نیمه کاراملی شده ، سمت راست: سوختن شکر مکعبی با خاکستر به عنوان کاتالیزور
یک لوله Ti-Cr-Pt (حدود 40 میکرومتر) حباب های اکسیژن را هنگام غوطه ور شدن در پراکسید هیدروژن (از طریق تجزیه کاتالیزوری) آزاد می کند و یک میکروپمپ را تشکیل می دهد . [23]

برآوردها حاکی از آن است که 90 درصد از تمام محصولات شیمیایی تولید شده تجاری شامل کاتالیزورهایی در مراحلی از فرآیند تولید آنها می شود. [24] در سال 2005، فرآیندهای کاتالیزوری حدود 900 میلیارد دلار محصول در سراسر جهان تولید کردند. [25] تقاضای جهانی برای کاتالیزورها در سال 2014 تقریباً 33.5 میلیارد دلار آمریکا برآورد شد. [26] کاتالیز به قدری فراگیر است که زیر ناحیه ها به راحتی طبقه بندی نمی شوند. برخی از مناطق با تمرکز خاص در زیر بررسی شده است.

پردازش انرژی

پالایش نفت به شدت از کاتالیز برای آلکیلاسیون ، ترک کاتالیستی (شکستن هیدروکربن های با زنجیره بلند به قطعات کوچکتر)، رفرمینگ نفتا و رفرمینگ بخار (تبدیل هیدروکربن ها به گاز سنتز ) استفاده می کند. حتی اگزوزهای حاصل از سوزاندن سوخت‌های فسیلی نیز از طریق کاتالیز تصفیه می‌شوند: مبدل‌های کاتالیزوری که معمولاً از پلاتین و رودیوم تشکیل شده‌اند ، برخی از محصولات جانبی مضرتر اگزوز خودرو را تجزیه می‌کنند.

2 CO + 2 NO → 2 CO 2 + N 2

با توجه به سوخت های مصنوعی، یک فرآیند قدیمی اما همچنان مهم، سنتز فیشر-تروپش هیدروکربن ها از گاز سنتز است که خود از طریق واکنش های جابجایی آب-گاز ، که توسط آهن کاتالیز می شود، پردازش می شود. بیودیزل و سوخت‌های زیستی مرتبط نیاز به پردازش از طریق کاتالیزورهای معدنی و زیستی دارند.

پیل های سوختی برای هر دو واکنش آندی و کاتدی به کاتالیزورها متکی هستند.

هیترهای کاتالیزوری گرمای بدون شعله را از منبع سوخت قابل احتراق تولید می کنند.

مواد شیمیایی فله

برخی از مواد شیمیایی در مقیاس بزرگ از طریق اکسیداسیون کاتالیزوری، اغلب با استفاده از اکسیژن تولید می شوند . به عنوان مثال می توان به اسید نیتریک (از آمونیاک)، اسید سولفوریک (از دی اکسید گوگرد به تری اکسید گوگرد با فرآیند تماساسید ترفتالیک از p-xylene، اسید اکریلیک از پروپیلن یا پروپان و آکریلونیتریل از پروپان و آمونیاک اشاره کرد. [27]

تولید آمونیاک یکی از بزرگترین و پر انرژی ترین فرآیندها است. در فرآیند هابر نیتروژن با هیدروژن روی یک کاتالیزور اکسید آهن ترکیب می شود. [28] متانول از مونوکسید کربن یا دی اکسید کربن اما با استفاده از کاتالیزورهای مس و روی تهیه می شود.

پلیمرهای حجیم مشتق شده از اتیلن و پروپیلن اغلب از طریق کاتالیزور Ziegler-Natta تهیه می شوند. پلی استرها، پلی آمیدها و ایزوسیانات ها از طریق کاتالیز اسید-باز به دست می آیند .

بیشتر فرآیندهای کربونیلاسیون به کاتالیزورهای فلزی نیاز دارند، نمونه‌هایی از آن شامل فرآیند اسید استیک مونسانتو و هیدروفرمیلاسیون است.

مواد شیمیایی خوب

بسیاری از مواد شیمیایی خوب از طریق کاتالیز تهیه می شوند. روش‌ها شامل روش‌های صنایع سنگین و همچنین فرآیندهای تخصصی‌تر است که در مقیاس بزرگ بسیار گران هستند. به عنوان مثال می توان به واکنش هک و واکنش فریدل- کرافت اشاره کرد. از آنجایی که بیشتر ترکیبات زیست فعال کایرال هستند ، بسیاری از داروها با کاتالیز انانتیو انتخابی (سنتز نامتقارن کاتالیستی ) تولید می شوند .

سنتز لووفلوکساکسین

فرآوری مواد غذایی

یکی از واضح ترین کاربردهای کاتالیز، هیدروژنه کردن (واکنش با گاز هیدروژن ) چربی ها با استفاده از کاتالیزور نیکل برای تولید مارگارین است. [30] بسیاری از مواد غذایی دیگر از طریق بیوکاتالیز تهیه می شوند (به زیر مراجعه کنید).

محیط زیست

کاتالیزور با افزایش کارایی فرآیندهای صنعتی بر محیط زیست تأثیر می گذارد، اما کاتالیزور نیز نقش مستقیمی در محیط دارد. یک مثال قابل توجه نقش کاتالیزوری رادیکال های آزاد کلر در تجزیه ازن است. این رادیکال ها از اثر پرتوهای فرابنفش بر روی کلروفلوئوروکربن ها (CFC) تشکیل می شوند.

Cl · + O 3 → ClO · + O 2
ClO · + O · → Cl · + O 2

تاریخچه

به طور کلی، [31] هر چیزی که سرعت یک فرآیند را افزایش می‌دهد «کاتالیزور» است، اصطلاحی که از یونانی καταλύειν به معنای «باطل کردن» یا «باز کردن» یا «برداشتن» است. مفهوم کاتالیز توسط شیمیدان الیزابت فولهام ابداع شد و در کتابی در سال 1794 بر اساس کار بدیع او در آزمایش‌های کاهش اکسیداسیون توضیح داده شد. [4] [32] اولین واکنش شیمیایی در شیمی آلی که از یک کاتالیزور استفاده کرد در سال 1811 توسط گوتلیب کیرشهوف مورد مطالعه قرار گرفت که تبدیل نشاسته به گلوکز کاتالیز شده توسط اسید را کشف کرد. اصطلاح کاتالیز بعداً توسط یونس یاکوب برزلیوس در سال 1835 استفاده شد [33]برای توصیف واکنش هایی که توسط موادی که پس از واکنش بدون تغییر باقی می مانند، شتاب می گیرند. فولهام ، که قبل از برزلیوس بود، در آزمایش‌های کاهشی خود با آب برخلاف فلزات کار کرد. [34] دیگر شیمیدانان قرن 18 که در کاتالیزور کار می کردند، ایلارد میتسچرلیخ [35] بودند که از آن به عنوان فرآیندهای تماسی یاد کردند، و یوهان ولفگانگ دوبراینر [36] [37] که از کنش تماسی صحبت کرد. او لامپ دوبراینر، فندکی مبتنی بر هیدروژن و پلاتین را ساختاسفنجی که در دهه 1820 به یک موفقیت تجاری تبدیل شد و تا به امروز ادامه دارد. هامفری دیوی استفاده از پلاتین را در کاتالیز کشف کرد. [38] در دهه 1880، ویلهلم اوستوالد در دانشگاه لایپزیگ تحقیقات سیستماتیکی را در مورد واکنش‌هایی که با حضور اسیدها و بازها کاتالیز می‌شوند، آغاز کرد و دریافت که واکنش‌های شیمیایی با سرعت‌های محدود رخ می‌دهند و این سرعت‌ها را می‌توان برای تعیین نقاط قوت استفاده کرد. اسیدها و بازها برای این کار، استوالد جایزه نوبل شیمی 1909 را دریافت کرد . [39] ولادیمیر ایپاتیفبرخی از اولین واکنش‌های مقیاس صنعتی، از جمله کشف و تجاری‌سازی الیگومریزاسیون و توسعه کاتالیزور برای هیدروژناسیون را انجام داد. [40]

بازدارنده ها، سموم و مروج ها

یک ماده اضافه شده که سرعت واکنش را کاهش می دهد، در صورت برگشت پذیری ، بازدارنده واکنش و اگر برگشت ناپذیر باشد، سم کاتالیزور است. [1] پروموترها موادی هستند که فعالیت کاتالیزوری را افزایش می دهند، حتی اگر به خودی خود کاتالیزور نباشند. [41]

گاهی اوقات از بازدارنده ها به عنوان "کاتالیزور منفی" یاد می شود زیرا سرعت واکنش را کاهش می دهند. [42] با این حال اصطلاح بازدارنده ترجیح داده می شود زیرا آنها با معرفی یک مسیر واکنش با انرژی فعال سازی بالاتر کار نمی کنند. این باعث کاهش سرعت نمی شود زیرا واکنش در مسیر غیر کاتالیز شده ادامه می یابد. در عوض، آنها یا با غیرفعال کردن کاتالیزورها یا با حذف واسطه های واکنش مانند رادیکال های آزاد عمل می کنند. [42] [7] در کاتالیز ناهمگن ، کک سازی کاتالیزور را مهار می کند که توسط محصولات جانبی پلیمری پوشانده می شود.

مهارکننده ممکن است علاوه بر سرعت، گزینش پذیری را تغییر دهد. برای مثال، در احیای آلکین‌ها به آلکن‌ها ، می‌توان از یک کاتالیزور پالادیوم (Pd) که تا حدی با استات سرب (II) مسموم شده است ( Pb(CH3CO2 ) 2 ) استفاده کرد. [43] بدون غیرفعال شدن کاتالیزور، آلکن تولید شده بیشتر به آلکان کاهش می یابد . [44] [45]

مهار کننده می تواند این اثر را با مسموم کردن انتخابی فقط انواع خاصی از مکان های فعال ایجاد کند. مکانیسم دیگر اصلاح هندسه سطح است. به عنوان مثال، در عملیات هیدروژنه کردن، صفحات بزرگ سطح فلز به عنوان مکان های کاتالیز هیدروژنولیز عمل می کنند در حالی که مکان هایی که هیدروژنه کردن مواد غیراشباع را کاتالیز می کنند کوچکتر هستند. بنابراین، سمی که به‌طور تصادفی سطح را می‌پوشاند، تعداد صفحات بزرگ غیرآلوده را کاهش می‌دهد، اما مکان‌های کوچک‌تری را نسبتاً آزاد می‌گذارد، بنابراین انتخاب‌پذیری هیدروژناسیون در مقابل هیدروژنولیز تغییر می‌کند. بسیاری از مکانیسم های دیگر نیز امکان پذیر است.

پروموترها می توانند سطح را بپوشانند تا از تولید کک جلوگیری کنند، یا حتی به طور فعال چنین موادی را حذف کنند (به عنوان مثال، رنیوم روی پلاتین در پلتفرمینگ ) . آنها می توانند به پراکندگی مواد کاتالیزوری یا اتصال به معرف ها کمک کنند.

همچنین مشاهده کنید

منابع

  1. ^ a b "کاتالیزور" . IUPAC خلاصه اصطلاحات شیمیایی . آکسفورد: انتشارات علمی بلکول. 2009. doi : 10.1351/goldbook.C00876 . شابک 978-0-9678550-9-7.
  2. مازل، ریچارد اول (2001). سینتیک شیمیایی و کاتالیز . نیویورک: وایلی-اینترساینس. شابک 0-471-24197-0.
  3. لرنر، لوئیز (2011). "7 چیز که ممکن است در مورد کاتالیزور ندانید" . آزمایشگاه ملی آرگون
  4. ^ a b Laidler، Keith J.; کورنیش-باودن، آتل (1997). ""الیزابت فولهام و کشف کاتالیزور: 100 سال قبل از بوشنر" (PDF) . در کورنیش-باودن، آتل (ویرایش). آبجو جدید در یک بطری قدیمی: ادوارد بوشنر و رشد دانش بیوشیمیایی . والنسیا: Universitat de Valencia. صص 123-126. شابک 9788437033280. بازبینی شده در 14 مارس 2021 .
  5. رینر-کانهام، مارلین؛ راینر-کانهام، جفری ویلیام (2001). زنان در شیمی: نقش های در حال تغییر آنها از زمان کیمیاگری تا اواسط قرن بیستم . انجمن شیمی آمریکا شابک 978-0-8412-3522-9.
  6. «جن در بطری» . دانشگاه مینه سوتا 2 مارس 2005. بایگانی شده از نسخه اصلی در 5 آوریل 2008.
  7. ^ a b Laidler, KJ and Meiser, JH (1982) Physical Chemistry , Benjamin/Cummings, p. 425. شابک 0-618-12341-5 . 
  8. ^ لیدلر، کیت جی. مایزر، جان اچ. (1982). شیمی فیزیک . بنجامین / کامینگز. ص 424-425. شابک 0-8053-5682-7.
  9. ^ اتکینز، پیتر؛ د پائولا، جولیو (2006). اتکینز فیزیک شیمی (ویرایش هشتم). WHFreeman. پ. 839. شابک 0-7167-8759-8.
  10. ^ a b Steinfeld، Jeffrey I.; فرانسیسکو، جوزف اس. هاس، ویلیام ال (1999). سینتیک و دینامیک شیمیایی (ویرایش دوم). سالن پرنتیس ص 147-150. شابک 0-13-737123-3. غلظت کاتالیزور [C] در بیان سرعت ظاهر می شود، اما در نسبت تعادل ظاهر نمی شود.
  11. ژاکوبی، میچ (16 فوریه 2009). "ساخت آب گام به گام" . اخبار شیمی و مهندسی . پ. 10.
  12. ماتیسن جی، وندت اس، هانسن جی، مدسن جی‌کی، لیرا ای، گالیکر پی، وسترگارد EK، شاوب آر، لاگسگارد ای، همر بی، بسنباخر اف (2009). "مشاهده تمام مراحل میانی یک واکنش شیمیایی بر روی سطح اکسید با میکروسکوپ تونل زنی روبشی". ACS Nano . 3 (3): 517-26. CiteSeerX 10.1.1.711.974 . doi : 10.1021/nn8008245 . ISSN 1520-605X . PMID 19309169 .   
  13. سرینیواسان، بهارات (۱۶ ژوئیه ۲۰۲۱). "راهنمای معادله Michaelis-Menten: حالت پایدار و فراتر از آن" . مجله FEBS . n/a (n/a): febs.16124. doi : 10.1111/febs.16124 . ISSN 1742-464X . PMID 34270860 .  
  14. رابرتسون، AJB (1970) کاتالیز واکنش های گاز توسط فلزات . لوگوس پرس، لندن.
  15. شفیق، اقراش; شفیق، سومیر; اختر، پروین; یانگ، ونشو؛ حسین، مرید (23 ژوئن 2020). "تحولات اخیر در زمینه آلومینا کاتالیزورهای سولفورزدایی هیدرولیک برای تولید محصولات پالایشگاهی بدون گوگرد: یک بررسی فنی" . بررسی های کاتالیز : 1-86. doi : 10.1080/01614940.2020.1780824 . ISSN 0161-4940 . 
  16. ^ a b هاوسکرافت، کاترین ای. شارپ، آلن جی (2005). شیمی معدنی (ویرایش دوم). پیرسون پرنتیس هال. پ. 805. شابک 0130-39913-2.
  17. Knözinger، Helmut و Kochloefl، Karl (2002) "کاتالیزور ناهمگن و کاتالیزورهای جامد" در دایره المعارف اولمان شیمی صنعتی ، Wiley-VCH، Weinheim. doi : 10.1002/14356007.a05_313
  18. ^ وی، هوی؛ وانگ، ارکانگ (21 ژوئن 2013). "نانومواد با ویژگی های آنزیم مانند (نانوزیم): آنزیم های مصنوعی نسل بعدی". بررسی های انجمن شیمی . 42 (14): 6060-93. doi : 10.1039/C3CS35486E . ISSN 1460-4744 . PMID 23740388 .  
  19. بهر، آرنو (2002) "ترکیبات آلی فلزی و کاتالیز همگن" در دایره المعارف شیمی صنعتی اولمان ، Wiley-VCH، Weinheim. doi : 10.1002/14356007.a18_215
  20. ^ Elschenbroich, C. (2006) آلی فلزات . Wiley-VCH: واینهایم. شابک 978-3-527-29390-2 
  21. نلسون، دی ال و کاکس، MM (2000) لنینگر، اصول بیوشیمی ویرایش سوم. ارزش انتشار: نیویورک. شابک 1-57259-153-6 . 
  22. ^ آنتی بادی های کاتالیزوری به سادگی توضیح داده شده است. Documentroot.com (06/03/2010). بازیابی شده در 2015-11-11.
  23. ^ سولوف، الکساندر آ. سانچز، ساموئل؛ می، یونگ فنگ؛ اشمیت، الیور جی (2011). میکروپمپ‌های لوله‌ای کاتالیزوری قابل تنظیم که در غلظت‌های پایین پراکسید هیدروژن کار می‌کنند (PDF) . شیمی فیزیک شیمی فیزیک . 13 (21): 10131-35. Bibcode : 2011PCCP...1310131S . doi : 10.1039/C1CP20542K . PMID 21505711 .  
  24. «تشخیص بهترین ها در نوآوری: کاتالیزور پیشرفت». مجله تحقیق و توسعه ، سپتامبر 2005، ص. 20.
  25. ^ 1.4.3 کارایی فرآیند صنعتی آرشیو شده در 17/05/2008 در Wayback Machine . kliimtechnology.gov
  26. «گزارش بازار: بازار جهانی کاتالیزور» (ویرایش دوم). Acmite Market Intelligence.
  27. کنوزینگر، هلموت؛ کوچلوفل، کارل (2003). "کاتالیزور ناهمگن و کاتالیزورهای جامد". دایره المعارف اولمان شیمی صنعتی . واینهایم: Wiley-VCH. doi : 10.1002/14356007.a05_313 .
  28. اسمیل، واسلاو (2004). غنی سازی زمین: فریتز هابر، کارل بوش، و تحول در تولید جهانی غذا (ویرایش اول). کمبریج، MA: MIT. شابک 9780262693134.
  29. ^ دوب، پاول آ. گوردون، جان سی (2018). "نقش عملکرد N-H متصل به فلز در کاتالیزورهای مولکولی نوع Noyori". بررسی های طبیعت شیمی . 2 (12): 396-408. doi : 10.1038/s41570-018-0049-z . S2CID 106394152 . 
  30. کلارک، جیم (اکتبر 2013). "انواع کاتالیزور" . راهنمای شیمی.
  31. بارد لیندستروم و لارس جی پترسون (2003) " تاریخچه مختصری از کاتالیز " Cattech ، 7 (4): 130-38.
  32. رینر-کانهام، مارلین؛ راینر-کانهام، جفری ویلیام (2001). زنان در شیمی: نقش های در حال تغییر آنها از زمان کیمیاگری تا اواسط قرن بیستم . انجمن شیمی آمریکا شابک 978-0-8412-3522-9.
  33. ^ Berzelius, JJ (1835) Årsberättelsen om framsteg i fysik och kemi [گزارش سالانه پیشرفت در فیزیک و شیمی]. استکهلم، سوئد: آکادمی سلطنتی علوم سوئد. برزلیوس پس از بررسی تحقیقات Eilhard Mitscherlich در مورد تشکیل اتر، کلمه katalys (کاتالیز) را در ص. 245 :

    اصل: Jag skall derföre, för att begagna en i kemien välkänd härledning, kalla den kroppars katalytiska kraft, sönderdelning genom denna kraft katalys, likasom vi med ordet analys beteckna åtskillarändet megaskand.

    ترجمه : بنابراین، برای به کار بردن یک مشتق شناخته شده در شیمی، اجسام [کاتالیزوری] [یعنی مواد] را نیروی کاتالیزوری و تجزیه اجسام [دیگر] را با این کاتالیز نیرو بنامیم ، همانطور که با تجزیه و تحلیل کلمه جداسازی اجزای تشکیل دهنده اجسام با قرابت های شیمیایی معمول.

  34. سرینیواسان، بهارات (27 سپتامبر 2020). "سخنان توصیه: آموزش سینتیک آنزیم" . مجله FEBS . 288 (7): 2068-2083. doi : 10.1111/febs.15537 . ISSN 1742-464X . PMID 32981225 .  
  35. Mitscherlich, E. (1834). "Ueber die Aetherbildung" [درباره تشکیل اتر]. Annalen der Physik und Chemie . 31 (18): 273-82. Bibcode : 1834AnP...107..273M . doi : 10.1002/andp.18341071802 .
  36. دوبراینر (1822). "Glühendes Verbrennen des Alkohols durch verschiedene erhitzte Metalle und Metalloxyde" [سوختن رشته ای الکل توسط فلزات گرم شده مختلف و اکسیدهای فلزی]. Journal für Chemie und Physik . 34 : 91-92.
  37. دوبراینر (1823). "Neu entdeckte merkwürdige Eigenschaften des Platinsuboxyds, des oxydirten Schwefel-Platins und des metallischen Platinstaubes" [خواص تازه کشف شده قابل توجه سابوکسید پلاتین، سولفید پلاتین اکسید شده و گرد و غبار پلاتین فلزی]. Journal für Chemie und Physik . 38 : 321-26.
  38. دیوی، هامفری (1817). "برخی آزمایش‌ها و مشاهدات جدید در مورد احتراق مخلوط‌های گازی، با توضیح روشی برای حفظ نور مداوم در مخلوط‌های گازهای قابل اشتعال و هوای بدون شعله" . معاملات فلسفی انجمن سلطنتی لندن . 107 : 77-85. doi : 10.1098/rstl.1817.0009 .
  39. ^ رابرتز، مگاوات (2000). "تولد مفهوم کاتالیزوری (1800-1900)". نامه های کاتالیزوری 67 (1): 1-4. doi : 10.1023/A:1016622806065 . S2CID 91507819 . 
  40. نیکلاس، کریستوفر پی (۲۱ اوت ۲۰۱۸). "کم آبی، دین ها، اکتان بالا و فشار بالا: مشارکت های ولادیمیر نیکولاویچ ایپاتیف، پدر کاتالیز" . کاتالیزور ACS 8 (9): 8531-39. doi : 10.1021/acscatal.8b02310 .
  41. ^ Dhara SS; Umare SS (2018). کتاب درسی شیمی مهندسی . هند: انتشارات S. Chand. پ. 66. شابک 9789352830688.
  42. ^ a b Laidler، KJ (1978) شیمی فیزیک با کاربردهای بیولوژیکی ، بنجامین / کامینگز. صص 415-17. شابک 0-8053-5680-0 . 
  43. Lindlar, H. and Dubuis, R. (2016). "کاتالیست پالادیوم برای احیای جزئی استیلن". سنتزهای آلی doi : 10.15227/orgsyn.046.0089 .{{cite journal}}: CS1 maint: چندین نام: فهرست نویسندگان ( پیوند ); جلد جمعی ، ج. 5، ص. 880
  44. Jencks، WP (1969) کاتالیز در شیمی و آنزیم شناسی McGraw-Hill، نیویورک. شابک 0-07-032305-4 
  45. ^ بندر، مایرون ال. کومیاما، ماکوتو و برگرون، ریموند جی (1984) شیمی بیورگانیک کاتالیز آنزیمی وایلی-اینترساینس، هوبوکن، ISBN ایالات متحده 0-471-05991-9 

پیوندهای خارجی