در مطلب قبلی در رابطه با کریسپر و ویرایش DNA صحبت کردیم و در این مطلب از شرکت دایا اکسیر فروش مواد شیمیایی آزمایشگاهی، می خواهیم به بررسی کاتالیزورها بپردازیم.
فهرست مطالبی که در ادامه به آنها پرداخته شده است:
کاتالیزور در شیمی
در شیمی، کاتالیزورها به موادی گفته می‌شود که با تغییر مسیر واکنش، سرعت واکنش را تغییر می‌دهند. بیشتر اوقات از یک کاتالیزور برای افزایش سرعت واکنش استفاده می شود. با این حال، اگر به سطح عمیق‌تری برویم، از کاتالیزورها برای شکستن یا بازسازی پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ها که در مولکول‌های عناصر وجود دارند نیز استفاده می‌شود. در اصل، کاتالیزورها مولکول ها را تشویق به واکنش می کنند و کل فرآیند واکنش را آسان تر و کارآمد می کنند.
تاریخچه کاتالیزورها
کاتالیزور اصطلاحی یونانی به معنای «لغو کردن»، «یکپارچه کردن» یا «برداشتن» میباشد. مفهوم کاتالیز برای اولین بار توسط شیمیدان الیزابت فولهم مورد تحقیق قرار گرفت و در کتاب او در سال ۱۷۹۴ شرح داده شد.
در سال ۱۸۱۱، اولین واکنش در شیمی آلی با استفاده از کاتالیزور، توسط گوتلیب، شیمیدان روسی الاصل آلمانی مورد مطالعه قرار گرفت. اصطلاح کاتالیز بعدها توسط یک شیمیدان سوئدی به نام یونس یاکوب برزلیوس در سال ۱۸۳۵ برای توصیف واکنش هایی که توسط مواد خاصی سرعت می یافتند به کاربرده شد.
آشنایی با برخی از ویژگی های مهم کاتالیزورها
– یک کاتالیزور واکنش شیمیایی را آغاز نمی کند.
– کاتالیزور در واکنش مصرف نمی شود.
– کاتالیزورها تمایل به واکنش با واکنش دهنده ها برای تشکیل مواد واسطه دارند و در عین حال تولید محصول نهایی واکنش را تسهیل می کنند و پس از کل فرآیند، یک کاتالیزور می تواند بازسازی شود.
– یک کاتالیزور می تواند جامد، مایع یا گاز باشد. برخی از کاتالیزورهای جامد شامل فلزات یا اکسیدهای آنها از جمله سولفیدها و هالیدها هستند. عناصر نیمه فلزی مانند بور، آلومینیوم و سیلیکون نیز به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند. همچنین از عناصر مایع و گازی که به صورت خالص هستند به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. گاهی اوقات از این عناصر همراه با حلال ها نیز استفاده می شود.
– حالت‌های واکنش بین کاتالیزورها و واکنش‌دهنده‌ها معمولاً به طور گسترده‌ای متفاوت است و در مورد کاتالیزورهای جامد، پیچیده‌تر است. واکنش ها می توانند واکنش های اسید-باز، واکنش های اکسیداسیون- احیا، تشکیل کمپلکس های هماهنگ و همچنین تولید رادیکال های آزاد باشند. برای کاتالیزورهای جامد، مکانیسم واکنش تا حد زیادی تحت تاثیر خواص سطح و ساختارهای الکترونیکی یا کریستالی است. برخی از انواع کاتالیزورهای جامد مانند کاتالیزورهای چند عملکردی می توانند چندین حالت واکنش با واکنش دهنده ها داشته باشند.
انواع کاتالیزور
انواع مختلفی از کاتالیزور وجود دارد که بسته به نیاز واکنش شیمیایی می توان از آنها استفاده کرد.
۱. کاتالیزورهای مثبت
کاتالیزورهایی که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهند کاتالیزورهای مثبت هستند که سرعت واکنش را با کاهش موانع انرژی فعال سازی، افزایش می دهد به طوری که تعداد زیادی از مولکول های واکنش به محصولات تبدیل می شوند و در نتیجه درصد بازده محصولات افزایش می یابد.
مثال کاتالیزور مثبت: در تهیه NH3 با فرآیند هابر، اکسید آهن به عنوان یک کاتالیزور مثبت عمل می کند و علیرغم واکنش کمتر نیتروژن، بازده آمونیاک را افزایش می دهد.
۲. کاتالیزورهای منفی
کاتالیزورهایی که سرعت واکنش را کاهش می دهند. این کاتالیزورها سرعت واکنش را با افزایش سد انرژی فعال سازی، کاهش می دهند که باعث کاهش تعداد مولکول های واکنش دهنده برای تبدیل به محصولات می شود و در نتیجه سرعت واکنش کاهش می یابد.
مثال کاتالیزور منفی: تجزیه پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن با استفاده از استانیلید به تاخیر می افتد و به عنوان یک کاتالیزور منفی برای کاهش سرعت تجزیه پراکسید هیدروژن عمل می کند.
۳. پروموتر یا شتاب دهنده
ماده‌ای که فعالیت کاتالیزور را افزایش می‌دهد به عنوان پروموتر یا شتاب‌دهنده شناخته می‌شود.
مثال: در فرآیند هابر، مولیبدن یا مخلوطی از اکسیدهای پتاسیم و آلومینیوم به عنوان محرک عمل می کنند.
۴. سموم یا بازدارنده های کاتالیست
موادی که فعالیت کاتالیزور را کاهش می دهند به عنوان سموم یا بازدارنده کاتالیزور شناخته می شوند.
مثال: در هیدروژنه کردن آلکین به یک آلکن، کاتالیزور پالادیوم با سولفات باریم در محلول کینولون مسموم می شود و واکنش در سطح آلکن متوقف می شود. این کاتالیزور به عنوان کاتالیزور لیندلر شناخته می شود.
انواع مکانیسم های کاتالیز
بر اساس طبیعت و حالت فیزیکی ماده به کار رفته در واکنش شیمیایی، کاتالیز سه نوع است.
- کاتالیز همگن
- کاتالیز ناهمگن
- اتوکاتالیز
در ادامه به توضیح این سه مکانیسم میپردازیم:
-
کاتالیز همگن
در کاتالیزهای همگن، ماده‌ای که به عنوان کاتالیزور به کار می‌رود با مواد واکنش دهنده در یک فاز هستند.
نمونه‌ای از کاتالیزور همگن در فاز گازی اثر کلر در تجزیه دی نیتروژن اکسید است. گاز دی نیتروژن اکسید در دمای اتاق گاز نسبتاً بی اثری است؛ اما در دماهای نزدیک به صد درجه طبق معادله زیر تجزیه می‌شود۲N2O(g) ⟶ ۲N2 (g) + O2 (g)
-
کاتالیز نا همگن
در این نوع کاتالیز، مواد واکنش دهنده و کاتالیزور به کار رفته در یک واکنش در یک فاز و حالت ماده نیستند.
به عنوان مثال، در فرایند هابر- بوش از کاتالیزورهای مبتنی بر فلز برای سنتز آمونیاک، که یک جزء مهم در تولید کودهای شیمیایی است، استفاده می‌شود.
-
اتوکاتالیز
در واکنش اتوکاتالیستی، کاتالیزور خاصی وجود ندارد که اضافه شود. در عوض یکی از محصولات به عنوان کاتالیزور عمل می کند و سرعت تشکیل محصولات را افزایش می دهد.
تجزیه آرسن (AsH3) توسط آرسنیک تشکیل شده در راکتور به صورت “اتوکاتالیست” انجام می شود.
۲As H3 → ۲As + 3H2
در این فرآیند As به عنوان یک کاتالیزور عمل می کند.
برخی کاربردهای کاتالیزور ها
تقریباً همه چیز در زندگی روزمره شما به کاتالیزورها بستگی دارد. کاتالیزورها خمیر کاغذ را برای تولید کاغذ صاف در مجله ای که شما مطالعه میکنید، تجزیه می کنند. آنها هر شب لنزهای تماسی شما را تمیز می کنند، شیر را به ماست و نفت را به پارچ های پلاستیکی، سی دی و کلاه ایمنی دوچرخه تبدیل می کنند.
حتی بدن انسان نیز با کاتالیزور کار می کند. بسیاری از پروتئین ها در بدن شما در واقع کاتالیزوری به نام آنزیم هستند که هر کاری از ایجاد سیگنال هایی که اندام های شما را حرکت می دهند تا کمک به هضم غذا را انجام می دهند.
کاربرد کاتالیزورها در حذف مواد مضر واکنش ها
فرآیندهای تولید صنعتی برای پلاستیک و سایر اقلام ضروری اغلب محصولات جانبی بدی را تولید می‌کنند که می‌تواند برای سلامت انسان و محیط‌زیست خطراتی ایجاد کند. استفاده از کاتالیزورهای مناسب می توانند به حل این مشکل کمک کند. به عنوان مثال، کاتالیزور نقره در واقع محصولات جانبی سمی کمتری تولید می‌کند و آسیب کمتری به محیط زیست میزند.
کاربرد کاتالیزورها در تولیدات سوخت زیستی
کاتالیزورها همچنین کلید باز کردن سوخت های زیستی هستند. تمام زیست توده ها از جمله ذرت، چمن و درختان حاوی ترکیبی سخت به نام سلولز هستند که برای تولید سوخت باید تجزیه شود. یافتن کاتالیزور مناسب برای تجزیه سلولز، سوخت های زیستی را به عنوان یک منبع انرژی تجدید پذیر ارزان تر و قابل دوام تر می کند.
کاربرد کاتالیزورها در تولید باتری ها
کاتالیزورها می توانند برای انقلاب بزرگ بعدی در باتری ها ضروری باشند. باتری‌های لیتیوم جدید کمک کردند تا تلفن‌های بزرگ را به تلفن‌های همراه و لپ‌تاپ‌های باریک و ظریفی تبدیل کنند. اما دانشمندان در حال حاضر در جستجوی انقلاب بعدی در تولید باتری‌ها هستند. انقلابی که روزی می‌تواند باتری را به اندازه کافی سبک و قدرتمند کند.
کاربرد کاتالیزورها در صنعت نفت
عمده‌ترین مصرف کاتالیزورها در صنعت نفت و در دو فرایند کراکینگ (شکستن مولکول‌های درشت به کوچک) و رفرمینگ (بازآرایی و ترکیب مولکول‌هایی برای تولید) میباشد. در صنعت نفت بیشتر از کاتالیزورهای زیگلرناتا، کاتالیزورهای فلزی و ارگانومتالیک استفاده می‌شود.
کاربرد کاتالیزورها در پتروشیمی
فرایندهای کاتالیزوری در واحدهای پتروشیمی نسبت به فرایندهای صنعت نفت، حجم خیلی کمتری را اشغال می‌کنند ولی محصولات مهم و بسیار متنوعی مانند پلی اتیلن و اتیلن، پروپین، هیدروژن زدایی از پارافین‌های خطی و سیکلو هگزان توسط کاتالیزورها تولید میشوند.
کاربرد کاتالیزورها در اتومبیل ها
کاتالیزورها در مبدل‌های کاتالیزوری اتومبیل به صورت مستقیم و غیر مستقیم استفاده میشوند. در اگزوز اتومبیل‌ها بستری از فلزات جامد مثل Pt روی پایه آلومینات قرار گرفته و هیدروکربن‌های مضر مثل CO و غیره را جذب می‌کند.
هدف اصلی تحقیقات آینده کاتالیزورها، یافتن مواد جدیدی است که اثرات زیست محیطی کمتر و همچنین قیمت مناسب تری نسبت به کاتالیزورهای امروزی دارند.
در این مطلب از شرکت دایا اکسیر مرکز فروش مواد شیمیایی در تهران در مورد کاتالیزورها و کاربرد آنها به تفصیل صحبت کردیم.
