up
Search      menu
علم و تکنولوژی :: مقاله کاتاليزور PDF
QR code - کاتاليزور

کاتاليزور

کاتاليزور چيست؟

کاتاليزور
کاتاليزور ماده اي است که سرعت يک واکنش شيميايي را افزايش مي دهد بدون آنکه خود در جريان واکنش مصرف شود. ريشه لغوي
کاتاليزور از دو صفت کاتا و ليزور تشکيل شده است. در زبان يوناني کاتا به معناي پائين ، افتادن ، يا پائين افتادن است و ليزور به معني قطعه قطعه کردن مي‌باشد. در برخي زبانها کاتاليزور را به معني گردهم آوردن اجسام دور از هم معرفي کرده اند.
تاريخچه
اولين گزارش استفاده از کاتاليزور ، مربوط به کريشف مي‌باشد که با استفاده از يک اسيد به عنوان کاتاليزور توانست نشاسته را به قند ، هيدروليزکند. بعدها ديوي توانست واکنش اکسيداسيون هيدروژن را با اکسيژن در حضور کاتاليزورپلاتين انجام دهد که اين واکنش يک واکنش گرما گير است و در نتيجه هنگام انجام واکنش جرقه توليد مي‌شد.
اولين کار در توضيح اينکه چرا يک واکنش کاتاليزوري انجام مي‌گيرد و کاتاليزور چه نقشي دارد، توسط فارادي انجام شد. بيشترين بهره‌برداري از کاتاليزور در جنگ جهاني بود.
انقلاب تکنولوژي اصلي در زمينه کاتاليزور مربوط به نيمه دوم قرن 20 يعني بين سالهاي1980 1950 مي‌باشد.دهه 1960 1950 دهه اي است که با توليد کاتاليزورهاي زيگر _ ناتا ترکيبات بسيار مهم و استراتژيک ساخته شد.
انواع کاتاليزور
کاتاليزور به دو نوع کاتاليزور مرغوب و نامرغوب تقسيم مي‌شود:
* کاتاليزور مرغوب: کاتاليزور مرغوب به کاتاليزوري گفته مي‌شود که فقط اجازه تشکيل يک نوع محصول را بدهد.
* کاتاليزور نامرغوب: اگر در حضور کاتاليزور محصولات متفاوتي امکان تشکيل داشته باشند کاتاليزور نامرغوب تلقي مي‌شود.
چگونگي عمل کاتاليزور
تجربه نشان داده است که واکنش با کاتاليزور در دماي کمتري صورت مي‌گيرد و همچنين کاتاليزور ، انرژي اکتيواسيون را پائين مي‌آورد يا کاهش مي‌دهد يا باعث مي‌شود مولکولهاي درشت به مولکولهاي کوچکتر ، قطعه‌قطعه يا شکسته شوند.
کاتاليزور واکنش را مي‌توان بدون تغيير در پايان واکنش بدست آورد. مثلا سرعت تجزيه KClO3 را با مقدار کمي MNO2 مي‌توان فوق‌العاده زياد کرد. در معادله‌اي که براي اين تغيير نوشته مي‌شود ، کاتاليزور را بالاي پيکان مي‌گذارند ، زيرا کاربرد آن در استوکيومتري کل واکنش اثري ندارد:
KClO3--------->2KCl+3O2
مکانيسم واکنش کاتاليزوردار
کاتاليزور نمي‌تواند موجب وقوع واکنش‌هايي شود که از نظر ترموديناميک امکان وقوع ندارند. بعلاوه صرفا حضور کاتاليزور نيست که (احتمالا بعنوان يک بخش فعال‌کننده) موجب اثر بر سرعت واکنش مي‌شود. در يک واکنش کاتاليزوردار ، کاتاليزور در يک مرحله عملا مصرف مي‌شود و در مرحله بعدي بار ديگر توليد مي‌گردد و اين عمل بارها تکرار مي‌گردد، بدون آنکه کاتاليزور دچار تغيير دائمي شود.
بنابراين کار کاتاليزور آن است که راه تازه اي براي پيشرفت واکنش مي‌گشايد. بدين ترتيب مکانيسم کاتاليزوردار با يک واکنش بي‌کاتاليزور تفاوت دارد. انرژي فعال سازي راهي که واکنش به کمک کاتاليزور طي مي‌کند، کمتر از انرژي فعال‌سازي راهي است که همان واکنش بدون کاتاليزور مي‌پيمايد (شکل 1)
اين واقعيتي است که علت سريعتر شدن واکنش را توجيه مي‌کند. وقتي کاتاليزور بکار برده مي‌شود، مولکولهاي نسبتا بيشتري انرژي لازم براي يک برخورد موفق پيدا مي‌کنند (شکل 2). بدين ترتيب عده کل برخوردهاي موثر در واحد زمان، که موجب انجام واکنش مي‌شوند، افزايش مي‌يابد.
در شکل 1 به دو نکته ديگر نيز پي مي‌بريم. نخست آنکه تغييرات انرژي براي واکنش کاتاليزوردار و واکنش بي‌کاتاليزور يکسان است. ديگر آنکه انرژي فعال سازي واکنش معکوس نيز به هنگام استفاده از کاتاليزور کاهش مي‌يابد و مقدار کاهش آن درست برابر کم شدن انرژي فعال سازي واکنش کاتاليزوردار اصلي است. اين بدان معني است که کاتاليزور بر يک واکنشي و واکنش معکوس آن اثر يکسان دارد. اگر يک کاتاليزور سرعت يک واکنش را دو برابر کند، همان کاتاليزور سرعت واکنش معکوس آن را نيز دو برابر خواهد کرد.
کاتاليزورهاي طبيعي (آنزيم)
بسياري از فرايندهاي صنعتي به اعمالي بستگي دارند که با کاتاليزور صورت مي‌گيرند. ولي کاتاليزورهايي که براي انسان مورد اهميت بيشتري دارند، کاتاليزورهاي طبيعي يعني آنزيم‌ها هستند. اين مواد فوق العاده پيچيده ، فرايندهاي حياتي مانند گوارش و سنتز سلولي را کاتاليز مي‌کنند.
عده زيادي از واکنشهاي شيميايي پيچيده که در بدن صورت مي‌گيرد و براي حيات ما ضرورت دارد، به علت اثر آنزيم‌ها در دماي پائين بدن امکان وقوع پيدا مي‌کنند. هزاران آنزيم وجود دارند که هر يک وظيفه خاصي را انجام مي‌دهند. تحقيق درباره ساختمان و عمل آنزيم‌ها ، نويدهاي فراواني درباره پيشرفت شناخت عامل بيماري و مکانيسم رشد مي‌دهد.
کاتاليزور همگن و ناهمگن
در کاتاليزور همگنماده اي که بعنوان کاتاليزور کار مي‌کند، با مواد واکنش‌دهنده در يک فازند، ولي در يک کاتاليزور ناهمگن يا کاتاليزور سطحي ، مواد واکنش‌دهنده و کاتاليزور در دو فاز مجزا کنار هم هستند و واکنش در سطح کاتاليزور صورت مي‌گيرد.
کاتاليزور همگن
نمونه اي از کاتاليزور همگن در فاز گازي ، اثر کلر در تجزيه دي‌نيترون اکسيد است. گاز دي‌نيترون اکسيد ، در دماي اتاق ، گاز نسبتا بي‌اثري است، اما در دماهاي نزديک به صد درجه طبق معادله زير تجزيه مي شود.
(2N2O(g)--------->2N2(g)+O2(g
مطالعات سينتيک نشان مي‌دهد که واکنش مذکور بر اثر برخورد بين دو ملکول کلر کاتاليز مي‌شود.
کاتاليزور همگن در محلول نيز ممکن است صورت گيرد. بسياري از واکنشها بوسيله اسيدها و بازها کاتاليز مي‌شوند. تجزيه هيدروژن پراکسيد در حضور پون يديد کاتاليز مي‌شود.
کاتاليزور ناهمگن
کاتاليزور ناهمگن عمدتا از طريق جذب سطحي شيميايي مواد واکنش دهنده بر سطح کاتاليزور صورت مي‌گيرد. جذب سطحي فرآيندي است که در جريان آن مولکولها به سطح جسمي جامد مي‌چسبند. مثلا در ماسکهاي گازي ، زغال به عنوان يک ماده جاذب براي گازهاي زيان آور بکار مي‌رود.
در جذب سطحي فيزيکي معمولي ، مولکولها ، بوسيله نيروهاي و اندروالسي به سطح ماده جاذب ، گير مي‌کنند. بنابراين مولکولهايي از گاز که جذب سطحي شده‌اند، تا همان حد تحت تاثير قرار گرفته‌اند که گويي مايع شده باشند.
در جذب سطحي شيميايي ، مولکولهاي جذب شده ، با پيوندهايي که قابل مقايسه با پيوندهاي شيميايي است، به سطح ماده کاتاليزور نگه داشته مي‌شوند. در فرايند تشکيل پيوند با ماده جاذب ، مولکولهايي که بطور شيميايي جذب شده‌اند، دچار تغيير آرايش الکتروني دروني مي‌شوند. پيوندهاي درون بعضي از مولکولهاي کشيده و ضعيف و حتي پيوند بعضي از آنها شکسته مي‌شوند.
مثلا هيدروژن بصورت اتمي بر سطح پلاتين جذب مي‌شود. بنابراين تعدادي از ملکولها که بطور شيميايي جذب سطحي شده‌اند، به صورت کمپلکس فعال‌ شده يک واکنشي که در سطح کاتاليزور شده، عمل مي‌کند.
مکانيسم جذب سطحي شيميايي:
تاکنون مکانيسم دقيق جذب سطحي شيميايي و کاتاليز سطح کاملا فهميده نشده است، فقط فرضهايي قابل قبول براي مکانيسم چند واکنش خاصي مطرح شده است:
* نظري دال بر اينکه نقصها يا بي‌نظميهاي شبکه در سطح کاتاليزور ، جاي فعالي براي عمل کاتاليزور است، اولين فرضيه براي توضيح عمل تقويت کننده‌هاي کاتاليزورهاي مناسب است. تقويت کننده ها موادي هستند که فعاليت کاتاليزور ها را زياد مي‌کنند. مثلا در سنتز آمونياک
(N2(g)+3H2(g)----------->2NH3(g
اگر کاتاليزورآهن با مقدار کمي پتاسيم يا واناديم آميخته شده باشد، بيشتر موثر واقع مي‌شود.
سموم کاتاليزور
سموم کاتاليزور موادي هستند که کاتاليزورها را از فعاليت باز مي‌دارند. مثلا مقدار کمي آرسنيک توانايي پلاتين را که کاتاليزور تبديل سولفور دي‌اکسيد ،به سولفور تري‌اکسيد
است، از بين مي‌برد.
(2SO2(g)----------->2SO2(g
احتمالا در اين عمل بر سطح پلاتين ، پلاتينم ارسيند تشکيل مي‌شود و فعاليت کاتاليزوري از ميان مي‌رود. جذب اتيلن ، کاتاليزور را موقتا مسموم مي‌کند، درحاليکه جذب پلاتين ، کاتاليزور را بطور دائم مسموم مي‌کند.
اختصاصي بودن فعاليت کاتاليزور
فعاليت کاتاليزورها عمدتا بسيار اختصاصي است. در پاره‌اي موارد ، کاتاليزور معين موجب سنتز نوعي محصولات خاص از بعضي مواد مي‌شود، حال آنکه کاتاليزور ديگر موجب سنتز محصولات کاملا متفاوت ديگري از همان مواد مي‌شود. البته در اين موارد امکان وقوع هر دو واکنش از لحاظ ترموديناميکي ميسر است. مثلاکربن مونوکسيد و هيدروژن بر هم اثر مي‌کنند و بسته به شرايط واکنش و نوع کاتاليزور مصرف شده ، محصولات بسيار متنوعي ايجاد مي‌کنند.
اگر کبالت يا نيکل بعنوان کاتاليزور بکاربرده شود، مخلوطي از هيدروکربنها بوجود مي‌آورد. در اين جا نيکل بعنوان يک کاتاليزور نامرغوب عمل مي‌کند.
CO(g)+3H2(g)------------>CH4(g)+H2O
و اگر مخلوطي از روي و اکسيد کرم بعنوان کاتاليزور مصرف شود، از واکنش متانول توليد مي‌شود.
(CO(g)+2H2(g)------------>CH3OH(g
براي اين واکنش ، نيکل يک کاتاليزور مرغوب است.کاتاليزور مرغوب کاتاليزوري است که انتخابي عمل کند.
غير فعال شدن کاتاليزور
معمولا تمام کاتاليزورها داراي يک عمر معين هستند که پس از سپري شدن آن فعاليت موثر آنها کاهش مي‌يابد که ممکن است بطور ناگهاني يا تدريجي باشد (افت فعاليت). در چنين مواقعي معمولا بسته به نوع و مکانيسم غير فعال شدن ، بايد کاتاليروز را بازيابي يا جايگزين کرد. در اين مواقع بايد تصميم بگيريم که آن را تعويض يا احيا کنيم. تصميم بر اساس مکانيسم هاي غير فعال شدن است و مهمترين و متداولترين مکانيسم غير فعال شدن عبارت است از:
1. در کاتاليزورهاي نفتي ، تجزيه هيدروکربن‌ها در دماي بالا موجب تشکيل لايه ضخيمي از کربن غير فعال روي سطوح کاتاليزور مي‌گردد که همين دوره باعث مي‌شود که روي سايت کاتاليزور پوشيده و از کار مي‌افتد.
2. پديده دوم مربوط به مسموم شدن کاتاليزور مي‌باشد. اين پديده زماني اتفاق مي‌افتد که ماده جذب شونده باعث تعيير آرايش کاتاليزور مي‌شود. آرايش بلوري در فعاليت کاتاليزور نقش اساسي دارد. تغيير آرايش بلوري باعث غير فعال شدن آن مي‌شود. عواملي مانند سولفور اين پديده را ايجاد مي‌کند.
3. عامل سوم مربوط به وجود ناخالصيهاي فلزي در سطح کاتاليزور مي‌باشد. اين ناخالصيها در مناطق فعال ، جذب و فعاليت کاتاليزور را کاهش مي‌دهند.
4. اورگانومتاليکهاي فلزي معمولا به مقدار بسيار به عنوان کاتاليستها مورد استفاده قرار مي‌گيرند. از تجزيه ناخواسته اين کاتاليستها در دماي بالا اورگانومتاليکهاي تيتانيم و واناديم ايجاد شده، ضمن بلوکه کردن کانالهاي کاتاليکي باعث کاهش فعاليت کاتاليزوري مي‌شوند.
5. معمولا ساختمان کاتاليزورها يک ساختمان متخلخل و پرزدار است. حفره‌ هاي ميکروني در روي کاتاليزور وجود دارد که شوکهاي حرارتي باعث مسدود شدن اين ميکرو پرزها مي‌گردد. بنابراين شوکهاي حراراتي ممکن است فعاليت کاتاليزورها را کاهش دهد.
بازيابي کاتاليزور
* کاتاليزور را مي‌توان با عبور هواي گرم احيا کرد.
* در مکانيسم هاي ديگر از وجود ناخالصيها که باعث مسموم شدن کاتاليزور مي شود جلوگيري کرد.
طبقه بندي سيستم هاي کاتاليکي
عملکرد کاتاليزورها در دو فار هموژن و هتروژن انجام مي‌گردد. فاز هموژن حالتي است که مواد واکنش‌دهنده و کاتاليزور در يک فاز قرار مي‌گيرند. حال آنکه اگر عملکرد کاتاليزور و مواد واکنش‌دهنده در دو فاز مختلف باشد و مرز فيزيکي بين کاتاليزور و مواد واکنش‌دهنده وجود داشته باشد، چنين فازي را هتروژن مي‌گويند.
کاتاليزورهاي جامد
1. جامد فلزي:
مناسب واکنشهايي هستند که مواد واکنشي از هيدروژن و يا هيدرو کربن تشکيل شده‌اند. عمده کاتاليزورهاي اين دسته از عناصر واسطه تشکيل مي‌گردد. مثل نقره ، پلاتين ، آهن و نيکل و پالاديم.
معمولا ويژگي اين فلزات و کاتاليزورها به گونه اي است که هم هيدروژن و هم هيدروکربن به راحتي در سطح اين کاتاليزورها جذب مي‌گردند. اين کاتاليزورها براي واکنشهاي هيدروژن و هيدروژن‌گيري مناسب است و براي واکنشهاي اکسيداسيون مناسب نيست، چون احتمال اکسيد شدن خود فلزات هم وجود دارد.
2. کاتاليزورهاي اکسيد فلزي:
اکسيد روي ، اکسيد نيکل ، اکسيد منگنز ، اکسيد کروم ، اکسيد بيسموت ، اکسيد موليبدن. ويژگي اين کاتاليزورها در اين است که مي‌توانند در واکنش ، اکسيژن مبادله کنند (يعني مي‌توانند اکسيژن را دوباره به حالت اول برگردانند).
3. کاتاليزروهاي اکسيد فلزي _ عايق:
اکسيد منيزيم ، اکسيد آلومينيم ، سيليس. اين کاتاليزورها بعنوان جاذبه الرطوبه مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
4. کاتاليزورهاي زيگلر _ ناتا:
در پليمريزاسيون استفاده مي‌شود. نسل جديدي از کاتاليزورهاي زيگلر _ ناتا در متالوسيون استفاده مي‌شود.
عوامل موثر در فعاليت کاتاليزور
* سطح کاتاليزور
* قدرت و استحکام پيوند جذبي
راههاي افزايش سطح کاتاليزور
* پودر کردن يعني افزايش سطح کاتاليزور بطريق فيزيکي
* ايجاد خلل و فرج و کانالهاي بسيار ظريف ميکروسکوپي در بدنه کاتاليزور
* نشاندن کاتاليزور روي بستري از آلومينا و زئوليت
* متخلخل کردن کاتاليزور
کاربرد کاتاليزور
کاتاليزور در سه بخش به کار مي رود:
1. صنعت اتومبيل:
در اين بخش کاتاليزورها بصورت مستقيم و غيرمستقيم استفاده مي‌شوند. در اگزوز اتومبيلها بستري از فلزات جامد مثل پلاتين روي پايه آلومينات قرار گرفته و هيدروکربنهاي مضر مثل منوکسيد کربن و غيره را جذب مي‌کند.
2. صنعت نفت و پالايش مواد نفتي:
عمده ترين مصرف کاتاليزورها در صنعت نفت در دو پروسه کراکينگ (شکستن مولکولهاي درشت به کوچک) و رفرمينگ (دوباره باز آرائي و ترکيب مولکولهايي براي توليد) مي‌باشد.
در صنعت نفت بيشتر کاتاليزورهاي زيگلر _ ناتا، کاتاليزورهاي فلزي و اورگانومتاليک مثل روديوم استفاده مي‌شود.
3. توليد مواد شيميايي

● آمين آروماتيک آمينهاي آروماتيک ، ترکيباتي هستند که گروه آمين به حلقه آروماتيک يا هترو آروماتيک متصل است. با شناختي که از حلقه آروماتيک و ساختار نيتر ...

از ديرباز آرزوي بشر دستيابي به منبعي از انرژي بوده که علاوه بر آنکه بتواند مدت مديدي از آن استفاده کند توليد پسماندهاي خطر ناک نيز در پي نداشته باشد.ا ...

● سرعت واکنش سرعت واکنش ، عبارت از تغيير غلظت هر يک از مواد اوليه يا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است. ● نگاه سرعت يک واکنش ، روند تبديل مواد وا ...

سرعت واکنش سرعت واکنش ، عبارت از تغيير غلظت هر يک از مواد اوليه يا مواد حاصل نسبت به زمان انجام واکنش است. نگاه کلي سرعت يک واکنش ، روند تبديل مواد وا ...

تصور جهان پيشرفته کنوني بدون وجود مواد پليمري مشکل مي باشد. امروزه اين مواد جزيي از زندگي ما شده اند و در ساخت اشياي مختلف ، از وسايل زندگي و مورد مصر ...

جيوه که آن را سيماب ( quicksilver ) هم مي نامند عنصر شيميايي است که در جدول تناوبي داراي نشان Hg و عدد اتمي ۸۰ مي باشد. جيوه که فلزي سبک ، نقره اي ، س ...

● تعريف قديمي اسيدها موادي ترش مزه اند خاصيت خورندگي دارند شناساگرها را تغيير رنگ مي دهند و بازها را خنثي مي کنند. بازها موادي با مزهٔ گس-تلخ اند حالت ...

دانلود نسخه PDF - کاتاليزور