Door de snelle groei van de industrie wordt er steeds meer vraag naar katalytische reacties in de chemische productie, machinebouw en metallurgie. Dankzij het gebruik van katalysatoren is het mogelijk om van laagwaardige grondstoffen een waardevol product te maken.
Betekenis
Katalytische reacties onderscheiden zich door de verscheidenheid aan gebruikte middelen. Bij organische synthese dragen ze bij aan een significante versnelling van dehydrogenering, hydrogenering, hydratatie, oxidatie en polymerisatie. De katalysator kan worden beschouwd als een "steen der wijzen" die grondstoffen omzet in eindproducten: vezels, medicijnen, chemicaliën, meststoffen, brandstoffen, kunststoffen.
Katalytische reacties maken het mogelijk om tal van producten te verkrijgen, zonder welke een normaal leven en menselijke activiteit onmogelijk zijn.
Katalyse stelt u in staat om processen te versnellen induizenden en miljoenen keren, en daarom wordt het momenteel gebruikt in 91% van verschillende chemische industrieën.
Interessante feiten
Veel moderne industriële processen, zoals de synthese van zwavelzuur, kunnen alleen met een katalysator worden uitgevoerd. Een grote verscheidenheid aan katalysatoren zorgt voor de creatie van motoroliën voor de auto-industrie. In 1900 werd voor het eerst op industriële schaal een katalytische synthese van margarine uit plantaardige grondstoffen (door hydrogenering) uitgevoerd.
Sinds 1920 is er een mechanisme ontwikkeld voor katalytische reacties bij de productie van vezels en kunststoffen. Een mijlpaal was de katalytische productie van esters, olefinen, carbonzuren en andere uitgangsmaterialen voor de productie van polymeerverbindingen.
Olieraffinage
Sinds het midden van de vorige eeuw worden katalytische reacties gebruikt bij de olieraffinage. De verwerking van deze waardevolle natuurlijke hulpbron omvat meerdere katalytische processen tegelijk:
- hervorming;
- kraken;
- hydrosulfonering;
- polymerisatie;
- hydrokraken;
- alkylering.
Sinds het einde van de vorige eeuw is het mogelijk een katalysator te ontwikkelen om de uitlaatemissies in de atmosfeer te verminderen.
Er zijn verschillende Nobelprijzen toegekend voor werk in katalyse en aanverwante gebieden.
Praktische relevantie
Een katalytische reactie is elk proces waarbij gebruik wordt gemaakt van versnellers (katalysatoren). Om de praktische betekenis van dergelijke interacties te beoordelen, kan men als voorbeeld de reacties noemen die verband houden met stikstof en zijn verbindingen. Aangezien deze hoeveelheid zeer beperkt van aard is, is het aanmaken van voedingseiwit zonder het gebruik van synthetische ammoniak zeer problematisch. Het probleem werd opgelost met de ontwikkeling van het Haber-Bosch katalytische proces. Het gebruik van katalysatoren wordt voortdurend uitgebreid, wat het mogelijk maakt om de efficiëntie van veel technologieën te verhogen.
Ammoniakproductie
Laten we eens kijken naar enkele katalytische reacties. Voorbeelden uit de anorganische chemie worden gegeven aan de hand van de meest voorkomende industrieën. De synthese van ammoniak is een exotherme, omkeerbare reactie, die wordt gekenmerkt door een afname van het volume van de gasvormige stof. Het proces vindt plaats op een katalysator, die poreus ijzer is met toevoeging van aluminiumoxide, calcium, kalium, silicium. Een dergelijke katalysator is actief en stabiel in het temperatuurbereik van 650-830K.
Stuur het onomkeerbaar zwavelverbindingen, in het bijzonder koolmonoxide (CO). Dankzij de introductie van innovatieve technologieën is de druk de afgelopen decennia aanzienlijk verminderd. Zo is er een converter gemaakt waarmee je de drukindicator kunt verlagen naar 8106 - 15106 Pa.
Modernisering van het frontcircuit heeft de kans op het vinden van katalytische vergiften aanzienlijk verminderd - zwavelverbindingen,chloor. Ook de eisen aan de katalysator zijn aanzienlijk toegenomen. Als het eerder werd geproduceerd door ijzeroxiden (kalkaanslag) te smelten en magnesium- en calciumoxiden toe te voegen, speelt kob altoxide nu de rol van een nieuwe activator.
Oxidatie van ammoniak
Wat zijn de kenmerken van katalytische en niet-katalytische reacties? Voorbeelden van processen die afhankelijk zijn van de toevoeging van bepaalde stoffen kunnen worden overwogen op basis van de oxidatie van ammoniak:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Dit proces is mogelijk bij een temperatuur van ongeveer 800°C, evenals een selectieve katalysator. Om de interactie te versnellen, worden platina en zijn legeringen met mangaan, ijzer, chroom en kob alt gebruikt. Momenteel is de belangrijkste industriële katalysator een mengsel van platina met rhodium en palladium. Deze aanpak maakte het mogelijk om de kosten van het proces aanzienlijk te verlagen.
Waterontleding
Gezien de vergelijkingen van katalytische reacties, kan men de reactie van het verkrijgen van gasvormige zuurstof en waterstof door waterelektrolyse niet negeren. Het proces brengt aanzienlijke energiekosten met zich mee, dus het wordt niet vaak gebruikt op industriële schaal.
Metaalplatina met een deeltjesgrootte van ongeveer 5-10 nm (nanoclusters) werkt als een optimale versneller voor een dergelijk proces. De introductie van een dergelijke stof versnelt de afbraak van water met 20-30 procent. Andere voordelen zijn de stabiliteit van de platina-koolmonoxidekatalysator.
In 2010een team van Amerikaanse wetenschappers ontving een goedkope katalysator die het energieverbruik voor waterelektrolyse vermindert. Ze werden een verbinding van nikkel en boor, waarvan de kosten aanzienlijk lager zijn dan die van platina. De boor-nikkelkatalysator is gewaardeerd bij de productie van industriële waterstof.
Synthese van aluminiumjodide
Verkrijg dit zout door aluminiumpoeder te laten reageren met jodium. Eén druppel water is voldoende om als katalysator te werken om een chemische reactie op gang te brengen.
Ten eerste fungeert de aluminiumoxidefilm als een versneller van het proces. Jodium, dat oplost in water, vormt een mengsel van joodwaterstof en jodiumzuur. Het zuur lost op zijn beurt de aluminiumoxidefilm op en werkt als een katalysator voor het chemische proces.
Samenvatten
Elk jaar neemt de schaal van toepassing van katalytische processen in verschillende gebieden van de moderne industrie toe. Er is vraag naar katalysatoren waarmee u milieugevaarlijke stoffen kunt neutraliseren. De rol van verbindingen die nodig zijn voor de vervaardiging van synthetische koolwaterstoffen uit steenkool en gas neemt ook toe. Nieuwe technologieën helpen de energiekosten te verlagen bij de industriële productie van verschillende stoffen.
Dankzij katalyse is het mogelijk om polymeerverbindingen, producten met waardevolle eigenschappen te verkrijgen, technologieën voor het omzetten van brandstof in elektrische energie te moderniseren, stoffen te synthetiseren die nodig zijn voormenselijk leven en activiteiten.
