مقاله کاتالیزگرها و مکانیسم عملکرد و کاربرد آنها در صنایع

تعداد صفحات: ۲۲ | قابل ویرایش

خلاصه

کاتالیزگرها موادی هستند که سرعت واکنش‌های شیمیایی را افزایش می‌هند ولی در واکنش مصرف نمی‌شوند.

کاتالیزگرها چه در کاربردهای صنعتی وچه در فرآیندهای بیولوژیکی اهمیت بسیاری دارند زیرا در واکنشهای صنعتی لازم است که سرعت واکنش به طریقی مثلاً استفاده از کاتالیزگرها افزایش داده شود تا تولید فرآورده‌های حاصل از ان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد، اگر چه می‌توان با افزایش دما سرعت واکنش را به مقدار قابل توجهی افزایش داد ولی از آن جا که افزایش دما با مصرف انرژی همراه است، چنین اقدام صرفه‌ی اقتصادی نخواهد داشت، از سوی دیگر بسیاری از مواد نسبت به گرما حساس هستند و در اثر گرما تجزیه می‌شوند به همین دلیل مناسب‌ترین راه این است که برای سرعت دادن به واکنش‌های شیمیایی از کاتالیزگر استفاده گردد.

کاتالیزگرها در فرآیندهای بیولوژیکی هم از اهمیت بسیاری برخوردار هستند. آنزیم‌ها مانند یک کاتالیزگر در کلیه اعمال زیستی نقش بسیار اساسی و ماهرانه‌ای را ایفا می‌کنند که کاتالیزگرها را می‌توانیم به یک کلید تشبیه کنیم که می‌تواند انواع قفل‌ها را با مکانیسم‌های مختلف باز کند یعنی نقشی که آنزیم‌ها در اعمال زیستی و حیاتی ایفا می‌کنند بسیار مؤثرتر از کاتالیزگرهایی است که ساخته‌ی دست بشر است.

در این مقاله سعی شده است که از تعریف کاتالزگر، خواص چند مکانیسم کاتالیزگرها مورد بحث و بررسی قرار گیرد و برخی از کاربردهای آن در صنعت بیان شده است نقش و اهمیت کاتالیزگرها در پالایش‌های نفت و بسیاری از سنتزها در سایه‌ی بهره‌گیری از کاتالیزگرهای خاصی با مکانیسم‌های معین انجام می‌گیرد و برخی از کاتالیزگرها نه تنها تشکیل یا شکستن پیوندها را آسان می‌کنند بلکه محصولات واکنش را هم در قالب هندسی خاصی تولید می‌کنند امیدواریم مورد توجه قرار گیرد.

مقدمه

تا اغاز قرن نوزدهم ماهیت کاتالیزگرها ناشناخته بود، سرانجام در سال ۱۸۳۵ میلادی، ژان یاکوب برسلیوس شیمیدان سوئدی در بررسی واکنشهای شیمیایی در طول سی سال پژوهش و بررسی یکی از خصوصیات مهم واکنشها را سرعت انجام آنها دانست زیرا واکنشهایی که در آزمایشگاه انجام می‌شود باید از سرعت کافی برخوردار باشد تا بتوان واکنشی را دنبال کرده و با مشاهده آزمایش به نتایجی دست یافت مانند هر گاه شعله کبریت افروخته‌ای را به توده‌ای از قند تماس دهید قند گداخته می‌‌شود ولی نمی‌سوزد، برای سوزاندن قند می‌توانید مقداری خاکستر سیگار یا کمی از خاک گلدان روی آن بریزید.

در این صورت قند با شعله‌ی آبی خیره‌کننده‌ای همراه با صدای فش‌فش خواهد سوخت در این عمل خاکستر سیگار یا خاک گلدان کاتالیزگر است، یعنی سوختن قند در مجاورت خاکستر یا خاک انجام می‌گیرد، لیکن خاکستر یا خاک در پایان واکنش بدون تغییر شیمیایی به جا می‌ماند.

کشف کاتالیزگرهای جدید تأثیر فراوانی در صنعت داشته است و واکنشهای شیمیایی در صنعت باید نسبتاً سریع انجام شوند زیرا یک کارخانه‌دار نمی‌تواند سالها در انتظار بدست آمدن محصولی بماند که امروز بازار فروش خوبی دارد.

نقش کاتالیزگری

فلزات واسطه به علت قدرت جذب سطحی زیاد، تمایل به تشکیل ترکیب‌های درون شبکه‌ای و یا کمپلسکهای فعال و سهولت شرکت در واکنش‌های اکسایش- کاهش می‌توانند بسیاری از مواد را به صورت ترکیبهای حد واسطه مناسبی که به آسانی به صورت مواد مورد نظر در می‌آیند، تبدیل کنند.

از این رو نقش کاتالیزگر را در بسیاری از واکنش‌ها می‌توانند ایفا کنند، به ویژه به صورت ترکیبهای آلی- فلزی مانند نقش کاتالیزگری نیکل در واکنشهای هیدروژن‌دار کردن و یا نقش کبالت در تبدیل آلکن‌ها با آلدئیدها در مجاورت Co و _۲H.

کاتالیزگر و انرژی فعالسازی

کاتالیزگر نمی‌تواند موجب وقوع واکنشهایی شود که از نظر ترمودینامیک امکان وقوع ندارند بعلاوه صرفاً حضور یک کاتالیزگر نیست که (احتمالاً به عنوان یک بخش فعال کننده) موجب اثر و سرعت واکنش می‌شود. در یک واکنش کاتالیز شده، کاتالیزگر در مراحلی از انجام واکنش عملاً دخالت می‌کند و در مراحل بعدی بار دیگر به همان حالت اولیه برمی‌گردد و این عمل بارها تکرار می‌شود بدون آنکه کاتالیزگر دچار تغییر دائمی شود.

کار کاتالیزگر آن است که راه تازه‌ای برای پیشرفت واکنش می‌گشاید بدین‌ترتیب مکانیسم واکنش کاتالیزی با واکنش بدون کاتالیزگر تفاوت دارد و انرژی فعال‌سازی مسیری که واکنش به کمک کاتالیزگر طی می‌کند کمتر از انرژی فعال‌سازی راهی است که همان واکنش بدون کاتالیزگر می‌پیماید و این واقعیتی است که علت سریع‌تر شدن واکنش را توجیه می‌کند.

پیدا کردن کاتالیزگر برای یک واکنش کمی شبیه پیدا کردن راهی از میان یک رشته کوه است و هدف این است که گذشتن از کوه را از هر دو طرف آسانتر کند. محل نسبی درّه‌ها در اطراف کوه بدون تغییر می‌ماند و در اینجا نیز مانند گذرگاههای کوهستانی اغلب پیدا کردن کاتالیزگر مناسب آسان نیست.

منابع

۱- شیمی عمومی (جلد دوم) تالیف چارلز مورتیمر- ترجمه: منصور عابدینی، احمد خواجه نصیر طوسی

۲- کاتالیزگر- تالیف: خلیل علمی غیاثی

۳- شیمی پایه- تالیف: مسترتن/ اسلاوینسکی/ والنورد- ترجمه: فروغ فرجود

۴- شیمی مهندسی- تالیف: مهدی رشیدزاده- دانشگاه تربیت مدرس

۵- ساخت نوعی کاتالیزگر نفتی جدید با استفاده از فن‌آوری نانو- تالیف: شهرام مرجانی