Reacții catalitice: exemple din chimia anorganică

Datorită boom-ului industrial, reacțiile catalitice devin din ce în ce mai importante în producția chimică, în ingineria mecanică, în metalurgie. Prin utilizarea catalizatorilor, materiile prime de calitate inferioară pot fi transformate în produse valoroase.

Relevanță

Reacțiile catalitice se caracterizează prin varietatea de agenți utilizați. În sinteza organică, accelerează considerabil dehidrogenarea, hidrogenarea, hidratarea, oxidarea, polimerizarea. Catalizatorul poate fi considerat "piatra filozofală" care transformă materiile prime în produse finite: fibrele, produse farmaceutice, produse chimice, îngrășăminte, combustibili, materiale plastice.

Reacțiile catalitice fac posibilă obținerea a numeroase produse, fără de care viața și activitatea umană normală nu ar fi posibile.

Cataliza permite accelerarea proceselor de mii și milioane de ori, de aceea este utilizată în prezent în 91% din diversele industrii chimice.

Date interesante

Multe procese industriale moderne, cum ar fi sinteza acidului sulfuric, pot fi realizate numai cu ajutorul unui catalizator. O mare varietate de agenți catalitici asigură producția de uleiuri de motor pentru industria auto industrie. В În 1900 a fost dezvoltat primul catalizator sinteza catalitică a margarinei din material vegetal (hidrogenare) a fost realizată la scară industrială.

Începând cu 1920, a fost dezvoltat un mecanism de reacții catalitice pentru producerea de fibre și materiale plastice. Producția catalitică de esteri, olefine și poliolefine este o piatră de hotar, acizi carboxilici, precum și alte materii prime pentru producția de compuși polimerici.

Rafinarea petrolului

Reacțiile catalitice au fost utilizate în rafinarea petrolului încă de la mijlocul secolului trecut. Prelucrarea acestei resurse naturale valoroase implică mai multe procese catalitice:

• reformare;

• cracare;

• hidrosulfurare

• polimerizare;

• hidrocracare;

• alchilare.

De la sfârșitul secolului trecut, a fost posibilă dezvoltarea unui catalizator care reduce emisiile de gaze de eșapament.

Mai multe premii Nobel au fost acordate pentru lucrări legate de cataliză și domenii conexe.

Relevanța practică

O reacție catalitică este orice proces care implică utilizarea de acceleratori (catalizatori). Pentru a evalua relevanța practică a unor astfel de interacțiuni, putem lua ca exemplu reacțiile care implică azotul și compușii săi. Deoarece această cantitate este foarte limitată în natură, crearea de proteine alimentare fără utilizarea amoniacului sintetic este foarte problematică. Problema a fost rezolvată prin dezvoltarea procesului catalitic Gaber-Bosch. Utilizarea catalizatorilor este în continuă expansiune, crescând astfel eficiența multor tehnologii.

Producția de amoniac

Luați în considerare câteva reacții catalitice. Iată câteva exemple din chimia anorganică bazate pe cele mai comune industrii. Sinteza amoniacului este o reacție exotermă, reversibilă, caracterizată printr-o scădere a volumului substanței gazoase. Procesul are loc pe un catalizator format din fier poros cu adaos de oxid de aluminiu, calciu, potasiu, siliciu. Un astfel de catalizator este activ și stabil în intervalul de temperatură de 650-830 K.

Compușii de sulf, în special monoxidul de carbon (CO), îl trimit ireversibil în afara. În ultimele câteva decenii, introducerea de tehnologii inovatoare a fost posibilă scăderea presiunii. De exemplu, a fost realizat un convertor care poate reduce presiunea până la 8*106 - 15*106 Pa .

Modernizarea circuitului frontal a redus considerabil probabilitatea ca otrăvurile catalitice - compuși de sulf, clor. De asemenea, cerințele pentru catalizator au crescut considerabil. În timp ce anterior era produsă prin topirea oxizilor de fier (calcar) prin adăugarea de oxizi de magneziu și calciu, în prezent rolul de nou activator este îndeplinit de oxidul de cobalt.

Oxidarea amoniacului

Cum sunt caracterizate reacțiile catalitice și necatalitice? Exemple de procese care depind de adaosul anumitor substanțe pot fi observate în cazul oxidării amoniacului:

4NH₃+ 5O₂= 4NO+ 6H₂O.

Acest procedeu este realizabil la o temperatură de aproximativ 800°C și cu un catalizator selectiv. Platina și aliajele sale cu mangan, fier, crom și cobalt sunt utilizate pentru a accelera interacțiunea. În prezent, principalul catalizator industrial este un amestec de platină cu rodiu și paladiu. Această abordare a făcut ca procesul să fie mult mai ieftin.

Descompunerea apei

Atunci când se iau în considerare ecuațiile reacțiilor catalitice, nu poate fi neglijată reacția de producere a oxigenului și hidrogenului gazos prin electroliza apei. Procesul necesită o cantitate mare de energie, astfel încât nu este adesea utilizat în industrie.

Acceleratorul optim pentru acest proces este platina metalică la o dimensiune a particulelor de 5-10 nm (nanoclusteri). Introducerea unui astfel de compus accelerează descompunerea apei cu 20 până la 30 %. Un alt avantaj este rezistența la monoxid de carbon a catalizatorului de platină.

În 2010, o echipă de oameni de știință americani a obținut un catalizator ieftin care vă permite să reduceți costurile de energie pentru cursul de electroliză a apei. Un compus din nichel și bor, care costă considerabil mai puțin decât platina. Catalizatorul boro-nichel a fost foarte apreciat în producția de hidrogen industrial.

Sinteza iodurii de aluminiu

Se produce prin combinarea pulberii de aluminiu cu iod. O singură picătură de apă care acționează ca un catalizator este suficientă pentru a începe interacțiunea chimică.

În primul rând, rolul de accelerator al procesului este jucat de o peliculă de oxid de aluminiu. Iodul se dizolvă în apă pentru a forma un amestec de iod-hidrogen și acid iod-vitic. La rândul său, acidul dizolvă pelicula de oxid de aluminiu și acționează ca un catalizator în procesul chimic.

Pentru a rezuma

Utilizarea proceselor catalitice în diverse domenii ale industriei moderne crește de la an la an. Catalizatorii sunt solicitați pentru a neutraliza substanțele care sunt periculoase pentru compuși de mediu. Rolul compușilor de mediu este, de asemenea, în creștere, necesare pentru producția de hidrocarburi sintetice din cărbune și gaz. Noi tehnologii reduc reacțiile chimice ale peliculei de alumină și de oxid de aluminiu și reduc conductivitatea termică a carbonaților consumul de energie în producția industrială a unei varietăți de substanțe.

Datorită catalizei se pot obține compuși polimerici, produse cu proprietăți valoroase, se pot moderniza tehnologiile de transformare a combustibililor în energie electrică, se pot sintetiza substanțe necesare vieții și activității umane.