کاتالیزورها و آغازگرها

کاتالیزورها و آغازگرها مواد شیمیایی هستند که برای شروع، ترویج یا کند کردن واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شوند.

اطلاعات پایه

کاتالیزورها با ارائه مسیرهای جایگزین برای تشکیل و شکستن پیوندها بر واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارند. به همین دلیل آنها را نوعی معرف در نظر می گیرند. با این حال، بر خلاف بسیاری از مواد شیمیایی معرف، کاتالیزورها هنگام وقوع واکنش مصرف نمی شوند. (اگرچه آنها توسط خود فرآیند مصرف نمی شوند، کاتالیزورها ممکن است از طریق فرآیندهای ثانویه مانند کک کردن، انحلال و تبخیر مهار، تخریب یا غیرفعال شوند). یک واکنش کاتالیز نشده را فعال می کند. عمل کاتالیزوری همچنین می‌تواند انجام فرآیندهای شیمیایی در دما و/یا فشار پایین‌تر را ممکن کند، در نتیجه منابع سوخت لازم برای ایجاد یک محیط واکنش ویژه را کاهش می‌دهد.

ویدیوی زیر یک مقدمه فنی عالی برای کاتالیز و تأثیر کاتالیزورها بر انرژی فعال سازی و سرعت واکنش ارائه می دهد.

علاوه بر تشکیل مسیرهای جدید، کاتالیزورها ممکن است با تثبیت واکنش از طریق حالت گذار و همچنین بی ثبات کردن موقت خود واکنش دهنده ها، مصرف انرژی را کاهش دهند. نمودار انرژی آزاد زیر نشان می دهد که چگونه واکنش های کاتالیز شده با استفاده از انرژی کمتر به یک محصول یکسان می رسند.

کثریت قریب به اتفاق محصولات شیمیایی تجاری از کاتالیزورها در طول فرآیند تولید خود استفاده می کنند. آنها به طور فزاینده ای برجسته می شوند - به دلیل توانایی آنها در کاهش ضایعات شیمیایی - با ظهور شیمی پایدار ("سبز").

مکانیسم

مکانیسم یک کاتالیزور از طریق چرخه کاتالیزوری به دست می آید، که اغلب به دلیل ماهیت احیا کننده فرآیند به صورت یک حلقه به تصویر کشیده می شود. تصویر زیر واکنشی را نشان می دهد که در آن از ترکیب واکنش دهنده های A و B ترکیب C (A+B=C) تولید می شود. کاتالیزور (X) ابتدا با واکنش دهنده A ترکیب می شود، سپس واکنش دهنده B را اضافه می کند و XAB تولید می کند. در این مرحله واکنش رخ می دهد و XC را تولید می کند و C محصول مورد نظر است. سپس کاتالیزور از C جدا می شود. اگر کاتالیزور از طریق یک فرآیند ثانویه از بین نرود، چرخه برای شروع مجدد آزاد است.

اعتبار تصویر: Smokefoot/Wikimedia

همگن در مقابل ناهمگن

کاتالیزورها ممکن است به طور کلی به دو دسته همگن یا ناهمگن طبقه بندی شوند.

کاتالیز ناهمگن شامل یک کاتالیزور در فازی متفاوت از واکنش دهنده ها است. یک واکنش ناهمگن معمولی شامل یک کاتالیزور جامد با واکنش دهنده های مایع یا گاز است. کاتالیز ناهمگن زمانی آغاز می شود که یک یا چند واکنش دهنده بر روی سطح کاتالیزور جذب شوند. سپس مولکول های کاتالیزور با مولکول های واکنش دهنده متصل شده برهم کنش می کنند. این مرحله توسط خود واکنش دنبال می شود. سپس مولکول های محصول از کاتالیزور دفع می شوند.

مبدل های کاتالیزوری خودرو نمونه ای رایج از کاتالیزور ناهمگن هستند. به منظور تبدیل گازهای سمی به اگزوز خوش خیم، مبدل های کاتالیزوری به یک کاتالیزور جامد فلز گرانبها - که معمولاً شامل پالادیوم و رودیم است - برای سرعت بخشیدن به اکسیداسیون و کاهش گازها به دی اکسید کربن، آب و نیتروژن متکی هستند.

کاتالیز ناهمگن با استفاده از کاتالیزور فلز جامد و واکنش دهنده های گازی.

کاتالیز همگن زمانی اتفاق می افتد که کاتالیزور و واکنش دهنده ها در یک فاز باشند. مکانیسم این نوع کاتالیز تا حد زیادی به واکنش دهنده ها و کاتالیزورهای موجود در واکنش بستگی دارد. یک مثال متداول از کاتالیز همگن، تخریب لایه ازن اتمسفر است. در این واکنش، هر دو واکنش دهنده و کاتالیزور رادیکال آزاد گاز هستند.

اعتبار تصویر: رابرت استوارت

کاتالیز همگن کمتر از نوع ناهمگن است زیرا در فرآیند اول جداسازی کاتالیزور از محصول به طور طبیعی اتفاق نمی افتد و انجام این فرآیند به صورت دستی نیازمند زمان و هزینه های اضافی است. با این حال، مواد شیمیایی خاصی وجود دارد - مانند اتان-1،2-دیول، که در زیر نشان داده شده است - که با استفاده از کاتالیزورهای اسید مایع یا باز تولید می شوند. تصویر زیر تولید تمام مایع اتان-1،2-دیول را با افزودن آب به اپوکسی اتان نشان می دهد. در این مورد کاتالیزور اثری از اسید مایع است که از آن یک یون هیدروژن به عنوان کاتالیزور عمل می کند.

اعتبار تصویر: Essential Chemical Industry Online

مثبت و منفی

در حالی که بحث قبلی شامل کاتالیزورهایی است که برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی استفاده می شوند، کاتالیزورهای خاصی می توانند برای کاهش سرعت واکنش ها نیز استفاده شوند. با در نظر گرفتن این موضوع، کاتالیزورها را می توان بیشتر به دو دسته مثبت یا منفی طبقه بندی کرد:

• کاتالیزورهای مثبت واکنش های شیمیایی را تسریع می کنند.

• کاتالیزورهای منفی واکنش های شیمیایی را به تاخیر می اندازند.

برنامه های کاربردی

کاتالیزورها ممکن است به طور گسترده در هر صنعتی که شامل واکنش های شیمیایی باشد استفاده شود. بارزترین کاربرد آنها در تولید مواد شیمیایی و سایر ترکیبات است، اما کاتالیزورها ممکن است در صنایع مختلف نیز مورد استفاده قرار گیرند. برخی از این صنایع و همچنین فرآیندهای مربوطه در زیر فهرست شده است.

• فرآوری شیمیایی معدنی : تولید مواد شیمیایی معدنی (مانند آمونیاک، اسید سولفوریک، اسید نیتریک) از طریق فرآیند تماس، فرآیند هابر و غیره.

• فرآوری شیمیایی آلی : تولید مواد شیمیایی آلی از طریق نیتراسیون، هیدراتاسیون و غیره.

• پتروشیمی : پردازش هیدروکربن (بهبود رتبه بندی اکتان با استفاده از ایزومریزاسیون و اصلاح). ترک با استفاده از کاتالیزور زئولیت

انواع

کاتالیزورها معمولاً با مکانیسم و ​​کاربردشان مشخص می شوند که برخی از آنها در زیر ذکر شده است.

• اتصال دهنده ها و ولکانیزرها به ترتیب به تشکیل زنجیره های پلیمری و ولکانیزه شدن کمک می کنند.

• مواد پخت به رزین ها یا چسب های پلیمری اضافه می شوند تا باعث پلیمریزاسیون شوند و در نتیجه یک محصول سخت شود. عوامل پخت ممکن است نوعی کاتالیزور (یعنی اتصال دهنده های عرضی) یا آغازگر باشند.

• آغازگرها باعث واکنش های شیمیایی می شوند. آنها کاتالیزورهای واقعی نیستند، زیرا به بخشی جدایی ناپذیر از محصول نهایی تبدیل می شوند. به همین دلیل آنها در عوض به عنوان واکنش دهنده های مشترک در نظر گرفته می شوند .

• شتاب دهنده های واکنش کاتالیزورهایی هستند که پیشرفت یک واکنش شیمیایی را تسریع می کنند.

• پایان‌دهنده‌های واکنش و کندکننده‌ها واکنش‌های شیمیایی را خاتمه می‌دهند (پایان می‌آورند) یا کند (به تاخیر می‌اندازند).

استانداردها

کاتالیزورها و آغازگرها ممکن است بر اساس مشخصات و استانداردهای مختلف تولید، استفاده و آزمایش شوند. برخی از استانداردهای رایج در زیر فهرست شده اند.

• ASTM D3766 (اصطلاحات استاندارد مربوط به کاتالیزورها و کاتالیزور)

• ASTM D4824 (روش آزمایش برای تعیین اسیدیته کاتالیزور با جذب شیمیایی آمونیاک)

• SAE SP-2253 (کاتالیزورها و بسترهای پیشرفته)

مراجع

ChemGuide - درک شیمی: کاتالیز

IHS - استانداردهای پتروشیمی ASTM (شامل بسیاری از استانداردهای آزمایش کاتالیزور)

The Essential Chemical Industry Online - کاتالیزور در صنعت

منبع:https://www.globalspec.com/