Каталитични реакции: примери от неорганичната химия

С бързото развитие на промишлеността каталитичните реакции придобиват все по-голямо значение в химическото производство, машиностроенето и металургията. С помощта на катализатори нискокачествените суровини могат да се превърнат в ценни продукти.

Значението на

Каталитичните реакции се характеризират с разнообразие от използвани агенти. В органичния синтез те значително ускоряват дехидрогенирането, хидрогенирането, хидратацията, окислението, полимеризацията. Катализаторът може да се счита за "философския камък", който превръща суровината в крайни продукти: влакна, лекарствени препарати, химикали, торове, горива, пластмаси.

При каталитичните реакции се получават множество продукти, без които нормалният човешки живот и дейност са невъзможни.

Катализът може да ускори процесите хиляди и милиони пъти, поради което понастоящем се използва в 91 % от всички химически производствени процеси.

Интересни факти

Много съвременни промишлени процеси, например синтезът 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 индустрии. В 1900 г. за първи път Каталитичният синтез на маргарин от растителен материал (чрез хидрогениране) е постигнат в промишлен мащаб.

От 1920 г. насам е разработен механизмът на каталитичните реакции за производство на влакна и пластмаси. каталитично производство на естери, олефини, въглеродни киселини, както и други суровини за производство на полимерни съединения.

Рафиниране на нефт

От средата на миналия век каталитичните реакции се използват при рафинирането на петрол. Обработката на този ценен природен ресурс включва няколко каталитични процеса:

• реформиране;

• напукване

• хидросулфуризация;

• полимеризация;

• хидрокрекинг

• алкилиране.

От края на миналия век е възможно да се разработи каталитичен конвертор, който позволява да се намалят емисиите на отработени газове в атмосферата.

Няколко Нобелови награди са присъдени за работа в областта на катализа и свързаните с него области.

Практическо значение

каталитична реакция е всеки процес, който включва използването на ускорители (катализатори). За да се оцени практическото значение на тези взаимодействия, като пример могат да се дадат реакциите, включващи азот и неговите съединения. Тъй като това количество е много ограничено в природата, създаването на хранителни протеини без използването на синтетичен амоняк е много проблематично. Проблемът е решен с разработването на каталитичния процес на Габер-Бош. Използването на катализатори непрекъснато се разширява, което позволява да се повиши ефективността на много технологии.

Производство на амоняк

Нека разгледаме някои каталитични реакции. Ето няколко примера от неорганичната химия, базирани на най-често срещаните постановки. Синтезът на амоняк е екзотермична, обратима реакция, която се характеризира с намаляване на обема на газообразното вещество. Процесът се извършва върху катализатор, който представлява поресто желязо с добавка на алуминиев оксид, калций, калий и силиций. Такъв катализатор е активен и стабилен в температурния диапазон 650-830К.

Серните съединения, и по-специално въглеродният оксид (CO), необратимо го изхвърлят. През последните няколко десетилетия, благодарение на въвеждането на новия катализатор иновативни технологии беше възможно да се намали налягането. Например, изработен е конвертор, който може да намали налягането до 8*106 до 15*106 Pa .

Модернизацията на предния кръг значително е намалила вероятността в него да има каталитични отрови - сяра, хлорни съединения. Изискванията към катализаторите също са се увеличили значително. Докато преди това се е произвеждал чрез разтопяване на железни оксиди (скала) с добавяне на магнезиеви и калциеви оксиди, днес ролята на нов активатор се изпълнява от кобалтовия оксид.

Окисление на амоняк

Какви са характеристиките на каталитичните и некаталитичните реакции?? Примери за процеси, чието протичане зависи от добавянето на определени вещества, могат да бъдат разгледани въз основа на окислението на амоняка:

4NH₃+ 5O₂= 4NO+ 6H₂O.

Този процес е възможен при температура от порядъка на 800°C и със селективен катализатор. За да се ускори реакцията, се използва платина и нейните сплави с манган, желязо, хром, кобалт. Понастоящем основният промишлен катализатор е смес от платина с родий и паладий. Подобен подход позволи да се направи процесът значително по-евтин.

Разлагане на вода

Когато разглеждаме уравненията на каталитичните реакции, не можем да оставим настрана реакцията за получаване на газообразен кислород и водород чрез електролиза на вода. Процесът изисква много енергия, затова не се използва често в промишлеността.

Оптималният ускорител за този процес е металът платина с размер на частиците 5-10 nm (нанокластери). Въвеждането на такъв материал ускорява разграждането на водата с 20 до 30 %. Друго предимство е устойчивостта на платиновия катализатор на въглероден оксид.

През 2010 г. екип от американски учени получи евтин катализатор, който намалява енергията, необходима за електролизата на вода. Това е съединение на никел и бор, което е значително по-евтино от платината. Катализатор от бор и никел е оценен при производството на промишлен водород.

Синтез на алуминиев йодид

Тази сол се получава при взаимодействието на алуминиев прах с йод. Достатъчна е само една капка вода, която действа като катализатор, за да започне химическото взаимодействие.

Първоначално алуминиевият оксиден филм действа като стимулатор на процеса. Йодът се разтваря във вода и образува смес от йод-вода и йод-витанова киселина. Киселината на свой ред разтваря слоя алуминиев оксид, като действа като катализатор в химическия процес.

За да обобщим

Използването на каталитични процеси в различни области на съвременната индустрия се увеличава с всяка изминала година. Търсят се катализатори, които позволяват неутрализирането на вещества, опасни за околна среда. Ролята на съединенията също нараства, необходими за производство на синтетични въглеводороди от въглища и газ. Нови технологии допринасят за намаляване на емисиите на въглероден диоксид енергийни вложения в 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 горива в електрическа енергия, да се синтезират вещества, необходими за живота и човешката дейност.