Vzhľadom na rýchly rast priemyslu sú katalytické reakcie čoraz viac žiadané v chemickej výrobe, strojárstve a metalurgii. Vďaka použitiu katalyzátorov je možné premeniť nekvalitné suroviny na hodnotný produkt.
Významnosť
Katalytické reakcie sa vyznačujú rozmanitosťou použitých činidiel. V organickej syntéze prispievajú k výraznému zrýchleniu dehydrogenácie, hydrogenácie, hydratácie, oxidácie a polymerizácie. Katalyzátor možno považovať za „kameň mudrcov“, ktorý premieňa suroviny na hotové produkty: vlákna, lieky, chemikálie, hnojivá, palivá, plasty.
Katalytické reakcie umožňujú získať množstvo produktov, bez ktorých nie je možný normálny život a ľudská činnosť.
Katalýza vám umožňuje urýchliť procesy vtisícky a milióny krát, a preto sa v súčasnosti používa v 91 % rôznych chemických odvetví.
Zaujímavé fakty
Mnoho moderných priemyselných procesov, ako je napríklad syntéza kyseliny sírovej, je možné vykonávať iba s použitím katalyzátora. Široká škála katalytických činidiel zabezpečuje tvorbu motorových olejov pre automobilový priemysel. V roku 1900 sa po prvýkrát v priemyselnom meradle uskutočnila katalytická syntéza margarínu z rastlinných surovín (hydrogenáciou).
Od roku 1920 bol vyvinutý mechanizmus pre katalytické reakcie pri výrobe vlákien a plastov. Významnou udalosťou bola katalytická výroba esterov, olefínov, karboxylových kyselín, ako aj iných východiskových materiálov na výrobu polymérnych zlúčenín.
Rafinácia ropy
Od polovice minulého storočia sa pri rafinácii ropy používajú katalytické reakcie. Spracovanie tohto cenného prírodného zdroja zahŕňa niekoľko katalytických procesov naraz:
- reforming;
- cracking;
- hydrosulfonácia;
- polymerizácia;
- hydrokrakovanie;
- alkylácia.
Od konca minulého storočia bolo možné vyvinúť katalyzátor na zníženie emisií výfukových plynov do atmosféry.
Za prácu v katalýze a príbuzných oblastiach bolo udelených niekoľko Nobelových cien.
Praktický význam
Katalytická reakcia je akýkoľvek proces, ktorý zahŕňa použitie urýchľovačov (katalyzátorov). Na posúdenie praktického významu takýchto interakcií je možné uviesť ako príklad reakcie spojené s dusíkom a jeho zlúčeninami. Keďže toto množstvo je svojou povahou veľmi obmedzené, tvorba potravinového proteínu bez použitia syntetického amoniaku je veľmi problematická. Problém bol vyriešený vývojom Haber-Boschovho katalytického procesu. Použitie katalyzátorov sa neustále rozširuje, čo umožňuje zvýšiť účinnosť mnohých technológií.
Výroba čpavku
Uvažujme o niektorých katalytických reakciách. Príklady z anorganickej chémie sú uvedené na základe najbežnejších priemyselných odvetví. Syntéza amoniaku je exotermická, reverzibilná reakcia, ktorá sa vyznačuje znížením objemu plynnej látky. Proces prebieha na katalyzátore, ktorým je porézne železo s prídavkom oxidu hlinitého, vápnika, draslíka, kremíka. Takýto katalyzátor je aktívny a stabilný v teplotnom rozsahu 650-830 K.
Nenávratne mu pošlite zlúčeniny síry, najmä oxid uhoľnatý (CO). Počas niekoľkých posledných desaťročí sa vďaka zavádzaniu inovatívnych technológií podarilo výrazne znížiť tlak. Napríklad bol vyrobený konvertor, ktorý umožňuje znížiť indikátor tlaku na 8106 - 15106 Pa.
Modernizácia predného okruhu výrazne znížila pravdepodobnosť nálezu katalytických jedov v ňom – zlúčenín síry,chlór. Výrazne vzrástli aj požiadavky na katalyzátor. Ak sa predtým vyrábal tavením oxidov železa (okuje), pridávaním oxidov horčíka a vápnika, teraz zohráva úlohu nového aktivátora oxid kob altnatý.
Oxidácia amoniaku
Aké sú charakteristiky katalytických a nekatalytických reakcií? Príklady procesov, ktoré závisia od pridávania určitých látok, možno zvážiť na základe oxidácie amoniaku:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Tento proces je možný pri teplote okolo 800°C, ako aj so selektívnym katalyzátorom. Na urýchlenie interakcie sa používa platina a jej zliatiny s mangánom, železom, chrómom a kob altom. V súčasnosti je hlavným priemyselným katalyzátorom zmes platiny s ródiom a paládiom. Tento prístup umožnil výrazne znížiť náklady na proces.
Rozklad vody
Vzhľadom na rovnice katalytických reakcií nemožno ignorovať reakciu získavania plynného kyslíka a vodíka elektrolýzou vody. Proces si vyžaduje značné náklady na energiu, preto sa v priemyselnom meradle používa zriedka.
Kovová platina s veľkosťou častíc približne 5-10 nm (nanoklastre) pôsobí ako optimálny urýchľovač pre takýto proces. Zavedenie takejto látky urýchľuje rozklad vody o 20-30 percent. Medzi ďalšie výhody patrí stabilita platinového katalyzátora na báze oxidu uhoľnatého.
V roku 2010tím amerických vedcov získal lacný katalyzátor, ktorý znižuje spotrebu energie na elektrolýzu vody. Stali sa zlúčeninou niklu a bóru, ktorej cena je výrazne nižšia ako platina. Bór-niklový katalyzátor sa oceňuje pri výrobe priemyselného vodíka.
Syntéza jodidu hlinitého
Získajte túto soľ reakciou hliníkového prášku s jódom. Jedna kvapka vody stačí na to, aby pôsobila ako katalyzátor na spustenie chemickej reakcie.
Po prvé, film oxidu hlinitého pôsobí ako urýchľovač procesu. Jód, ktorý sa rozpúšťa vo vode, tvorí zmes kyseliny jodovodíkovej a kyseliny jodovej. Kyselina zase rozpúšťa film oxidu hlinitého a pôsobí ako katalyzátor chemického procesu.
Summarize
Každý rok sa rozsah použitia katalytických procesov v rôznych oblastiach moderného priemyslu zvyšuje. Požadujú sa katalyzátory, ktoré vám umožňujú neutralizovať látky, ktoré sú nebezpečné pre životné prostredie. Rastie aj úloha zlúčenín potrebných na výrobu syntetických uhľovodíkov z uhlia a plynu. Nové technológie pomáhajú znižovať náklady na energiu pri priemyselnej výrobe rôznych látok.
Vďaka katalýze je možné získavať polymérne zlúčeniny, produkty s hodnotnými vlastnosťami, modernizovať technológie premeny paliva na elektrickú energiu, syntetizovať látky potrebné naľudský život a činnosti.
