کاتالیست چیست و چه نقشی در واکنش های شیمیایی دارد؟

کاتالیست یا کاتالیزور کلمه متداولی است که هنگام مطالعه شیمی به خصوص هنگام یادگیری در مورد واکنش های شیمیایی با آن روبرو می شوید. در حالی که برخی از واکنشهای شیمیایی به سرعت اتفاق می افتد ، بعضی از آنها مدتها طول می کشد و نیاز به مواد یا تلاش اضافی دارند. اینجاست که یک کاتالیزور وارد عمل می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.

کاتالیزورها در واکنش های شیمیایی مصرف نمی شوند اما می توانند به طور مکرر عمل کنند. غالباً فقط مقادیر بسیار کمی کاتالیزور مورد نیاز است. تقاضای جهانی برای کاتالیزورها در سال ۲۰۱۰ تقریباً ۲۹.۵ میلیارد دلار آمریکا برآورد شده است چون برای تسریع واکنش های شیمیایی درصنایع مختلف بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند.

مطالعه کاتالیست ها به دلیل آنچه در مورد ماهیت اساسی واکنش های شیمیایی نشان می دهند از نظر تئوری بسیار مورد توجه است. در عمل ، مطالعه کاتالیز مهم است زیرا بسیاری از فرایندهای صنعتی برای موفقیت به کاتالیزورها وابسته هستند. اساساً زندگی بدون وجود کاتالیزورهای بیولوژیکی که آنزیم نامیده می شوند ، دشوار خواهد بود.

وظیفه کاتالیست چیست؟

در شیمی کاتالیزورها به موادی گفته می شود که با تغییر مسیر واکنش سرعت واکنش را تغییر می دهند. بیشتر اوقات از کاتالیزور برای سرعت بخشیدن یا افزایش سرعت واکنش استفاده می شود. با این حال ، اگر به سطح عمیق تری برویم ، از کاتالیزورها برای شکستن یا بازسازی پیوندهای شیمیایی بین اتم ها که در مولکول های عناصر یا ترکیبات مختلف وجود دارد ، استفاده می شود. در واقع ، کاتالیزورها مولکول ها را به واکنش تشویق می کنند و کل روند واکنش را آسان و کارآمد می کنند.

برخی از خصوصیات مهم کاتالیزورها عبارتند از:

• یک کاتالیزور واکنش شیمیایی را شروع نمی کند.
• کاتالیزور در واکنش مصرف نمی شود.

کاتالیزورها تمایل دارند با واکنش دهنده ها واکنش داده و واسطه هایی را تشکیل دهند و همزمان تولید محصول نهایی واکنش را تسهیل کنند. پس از کل روند  کاتالیز می تواند دوباره تکرار شود.

کاتالیست می تواند جامد ، مایع یا گازی باشد. برخی از کاتالیزورهای جامد شامل فلزات یا اکسیدهای آنها از جمله سولفیدها و هالیدها هستند. از عناصر نیمه فلزی مانند بور ، آلومینیوم و سیلیسیم نیز به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. به همین ترتیب ، عناصر مایع و گازی که به صورت خالص هستند به عنوان کاتالیزور استفاده می شوند. گاهی اوقات ، از این عناصر به همراه حلال ها یا حامل های مناسب نیز استفاده می شود. واكنش هایی كه شامل يك كاتاليزور در سيستم خود می باشد به عنوان واكنش های كاتاليزوری شناخته می شوند.

دسته بندی کاتالیست ها

انواع مختلفی از کاتالیزورها وجود دارد که می تواند بسته به نیاز در واکنش شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. آنها به شرح زیر است:

کاتالیزورهای مثبت

کاتالیزورهایی که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می دهند ، کاتالیزورهای مثبت هستند. این ترکیبات با کاهش موانع انرژی فعال سازی ، سرعت واکنش را افزایش می دهند به طوری که تعداد زیادی از مولکول های واکنش به محصول تبدیل می شوند ، در نتیجه درصد عملکرد و بازدهی محصولات افزایش می یابد.

مثال: در تهیه NH3 توسط فرآیند هابر ، اکسید آهن به عنوان یک کاتالیزور مثبت عمل می کند و علی رغم واکنش پذیری کمتر نیتروژن ، بازدهی آمونیاک را افزایش می دهد.

کاتالیزورهای منفی

کاتالیزورهایی که سرعت واکنش را کاهش می دهند کاتالیزور منفی نامیده می شوند. این عمل با افزایش سد انرژی فعال سازی که باعث کاهش تعداد مولکول های واکنش دهنده برای تبدیل به محصولات می شود ، سرعت واکنش را کاهش می دهد.

مثال: تجزیه پراکسید هیدروژن به آب و اکسیژن با استفاده از استانیلید کاهش می یابد. این ماده به عنوان یک کاتالیزور منفی برای کاهش سرعت تجزیه پراکسید هیدروژن عمل می کند.

پروموتر یا شتاب دهنده ها

ماده ای که فعالیت کاتالیزور را افزایش می دهد به عنوان پروموتر یا تسریع کننده شناخته می شوند.

مثال: در فرآیند Haber مولیبدن یا مخلوطی از اکسیدهای پتاسیم و آلومینیوم به عنوان پروموتر عمل می کنند.

سموم یا بازدارنده های کاتالیست

موادی که فعالیت کاتالیزور را کاهش می دهند به عنوان سموم یا مهارکننده های کاتالیزور شناخته می شوند.

مثال: در هیدروژناسیون 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 کاتالیزور Lindler معروف است.

 

انواع کاتالیست

بر اساس طبیعت و وضعیت فیزیکی ماده ای که در واکنش شیمیایی استفاده می شود ، کاتالیزورها به چهار نوع تقسیم می شوند:

• کاتالیست همگن
• کاتالیست ناهمگن
• کاتالیست خودکار
• کاتالیست زیستی

کاتالیست ناهمگن چیست؟

در این نوع کاتالیزور مواد واکنش دهنده در یک واکنش و کاتالیزور در حالت ماده یا فاز یکسان قرار ندارند.

مثال ۱: تهیه آمونیاک توسط فرآیند Haber

گازهای نیتروژن و هیدروژن خالص و خشک به نسبت ۱: ۳ از طریق یک کمپرسور منتقل می شود که در آن فشار بالایی از ۳۰ تا ۲۰۰ اتمسفر حفظ می شود. در این فرآیند از اکسید آهن به عنوان کاتالیزور استفاده می شود. این اکسید یک جامد است که در فرآیندی به کار می رود که واکنش دهنده ها در حالت گازی هستند. ازت (g) با هیدروژن (g) واکنش داده و آمونیاک (g) را تشکیل می دهد. بنابراین اکسید آهن یک کاتالیزور ناهمگن است.

مثال ۲: تولید اسید سولفوریک از طریق فرآیند تماسی.

در این فرآیند ، اکسیداسیون دی اکسید گوگرد یک گام اصلی است. در واکنش اکسیداسیون ، دی اکسید گوگرد یک گاز و اکسیژن یک گاز دیگر است در حالی که پنتا اکسید وانادیوم یک کاتالیزور جامد است. در این فرآیند ، واکنش دهنده ها و کاتالیزورها در حالت های مختلف ماده قرار دارند.

مکانیسم کاتالیست ناهمگن

کاتالیزور ناهمگن شامل جذب و همچنین تشکیل یک ترکیب واسطه است. مولکول واکنش دهنده در مرکز فعال سازی سطح کاتالیزور جذب می شود. این ترکیبات برای ایجاد یک کمپلکس فعال شده که یک ترکیب واسطه است باهم واکنش می دهند. این ترکیب برای تولید محصولات تجزیه می شود.

بنابراین کاتالیزور ناهمگن شامل جذب اولیه واکنش دهنده ها در سطح کاتالیزور ، تشکیل ترکیب واسطه  و جدا شدن در یک محصول است.

مثال: هیدروژناسیون اتن به اتان در سطح نیکل.

مولکول های اتر و هیدروژن بر روی سطح کاتالیزور جذب می شوند. هیدروژن بیشتر مرکز فعال سازی را اشغال می کند و به عنوان انسداد شناخته می شود. مولکول اتان به منطقه پیوند دوگانه خود حمله می کند و یک کمپلکس فعال را تشکیل می دهد. اتر با هیدروژن فعال واکنش داده و اتان تشکیل می دهد. اتان به سرعت از سطح کاتالیزور دفع می شود.

کاتالیست همگن

در واکنشی که کاتالیزور استفاده شده در واکنش و واکنش دهنده ها در یک حالت مشابه از ماده هستند ، از این فرآیند به عنوان کاتالیز همگن یاد می شود. در این فرآیند واکنش دهنده ها و کاتالیزورهای همگن در یک فاز عمل می کنند.

معمولاً کاتالیزورهای همگن با سوبستراها  در یک حلال حل می شوند. اثر H + در استری شدن اسیدهای کربوکسیلیک ، مانند تشکیل متیل استات از اسید استیک و متانول ، یکی از نمونه های کاتالیز همگن است. هیدروفورمیلاسیون ، هیدروسیلیلاسیون ، هیدروسیاناسیون شامل فرآیندهای با حجم بالا و نیازمند  کاتالیزور همگن هستند.

کاتالیز همگن غالباً مترادف با کاتالیزورهای ارگانو متالیک برای شیمی دانان غیر آلی است. با این حال ، بسیاری از کاتالیزورهای همگن فلزی نیستند ، همانطور که با استفاده از نمک های کبالت اکسیداسیون p- زایلن به اسید ترفتالیک کاتالیز می شود.

بهتر است بدانید:

در حالی که در مطالعه کاتالیسیت ها  فلزات انتقالی توجه زیادی را به خود جلب می کنند ، مولکولهای آلی کوچک بدون فلزات نیز ممکن است خواص کاتالیزوری از خود نشان دهند  و عدم وجود فلزات انتقالی نیز در بسیاری از آنزیم ها مشهود است.

کاتالیزورهای آلی معمولاً نسبت به کاتالیزورهای پایه فلزات انتقالی (-یون) به مقدار بیشتری (مقدار کاتالیزور در واحد مقدار واکنش دهنده) مورد نیاز هستند، اما این کاتالیزورها به صورت عمده در بازار خرید و روش می شوند و به کاهش هزینه ها کمک می کنند. قیمت کاتالیست بسته به نوع آن در بازار متفاوت است.

چنین کاتالیزورهای ارگانیکی در اوایل سال ۲۰۰۰  به عنوان یک “نژاد جدید” در نظر گرفته شده و با کاتالیزورهای معمولی حاوی فلز (-یون) قابل رقابت هستند.

مثال: هیدرولیز استات اتیل در حضور اسید رقیق.

اتیل استات مایعی است که شامل یک گروه عملکردی استر است. این ماده در حضور اسید سولفوریک رقیق برای تولید الکل اتیل و اسید استیک  با آب واکنش می دهد. در این فرآیند واکنش دهنده و کاتالیزور در یک فاز هستند.

CH۳​COOC۲​H۵​+H۲​OCl⟶ CH۳​COOHCl+C۲​H۵​OHCl

مکانیسم کاتالیست همگن

کاتالیست همگن توسط یک واسطه میانی در واکنش عمل می کند . اجازه دهید ما با استفاده از فرآیند اکسیداسیون SO2 به SO3 را در یک محفظه سربی این فرآیند را توضیح بدهیم. در این واکنش  گاز اکسید نیتریک کاتالیزور است. NO ابتدا با SO2 واکنش داده و SO2 و “NO2” را به عنوان یک ترکیب میانی تشکیل می دهد.

۲SO۲​(g)+O۲​(g)⟶ ۲SO۳​ g

در مرحله اول اکسید نیتریک با اکسیژن ترکیب شده و دی اکسید نیتروژن (NO2) ایجاد می کند.  سپس NO2 به عنوان یک ترکیب واسطه عمل می کند  که با SO2 واکنش داده و تری اکسید گوگرد و NO را تشکیل می دهد.

(۲NO(g) + O_۲(g) → ۲NO_۲(g

(۲SO_۲ + ۲NO_۲ → ۲SO_۳(g) + 2NO(g

کاتالیست خودکار

در واکنش اتوکاتالیستی هیچ کاتالیزور خاصی به واکنش اضافه نمی شود. در عوض ، یکی از محصولات به عنوان کاتالیزور عمل می کند و سرعت تشکیل محصولات را افزایش می دهد.

مثال ۱: تجزیه آرسن (AsH3) توسط آرسنیک تشکیل شده در راکتور “اتوکاتالیست” است.

۲As H_۳ → ۲As + 3H_۲

مثال ۲: اکسیداسیون اسید اگزالیک توسط  KMnO4

هنگامی که پرمنگنات به محلول اسیدی اضافه می شود ، اکسیداسیون یون های اگزالات (یا اسید اگزالیک) رخ می دهد. این واکنش منجر به تشکیل یونهای Mn+2 می شود و واکنش را به صورت خودکار کاتالیز می کند. سرعت واکنش بین پرمنگنات پتاسیم و محلول اسید اگزالات در ابتدا کند است. یونهای Mn+2 که در طی واکنش ایجاد می شوند ، به افزایش سرعت واکنش کمک می کنند.

کاتالیست‌ زیستی

کاتالیزورهای زیستی آنزیم‌هایی هستند که واکنش‌های بیوشیمیایی بدن را کاتالیز می کنند. اکثر آنزیم‌ها ساختار پروتئینی دارند و بر اساس واکنشی که کاتالیز می کنند نام های مختلفی دارند.

کاتالیست پتروشیمی چیست؟

کاتالیست ها از مهمترین و کلیدی ترین ترکیبات برای عملیات صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و شیمیایی کشورها هستند و با توجه به اینکه کاتالیست ها نقش مهمی  در تولید انواع سوخت ها و بسیاری از فرآورده های میانی و نهایی دارند اهمیت آنها به طور روز افزونی در حال افزایش است و دانشمندان در پی کشف کاتالیزورهای بهتر با هزینه های مقرون به صرفه هستند.

کاتالیست خودرو چیست؟

کاتالیست خودرو برخلاف سایر اشکال کاتالیزوزی یک قطعه از خودرو است که برای کم کردن آلاینده ها روی خودرو نصب می شود. در این قطعه گازهای سمی مانند کربن منوکسید ، هیدرو کربن و اكسيدهای نيتروژن ناشی از احتراق سوخت درون سیلندر، طی یک فرایند شیمیایی به گازهای بی خطر و غیر سمی تبدیل می کند.

کاتالیست های خودرو ساختاری اسنفج گونه دارند  و از جنس فلزاتی مانند روديم ، پالاديوم و پلاتين  ساخته می شوند. با استفاده از این قطعات ۹۰ درصد گازهای سمی به گازهای غیر سمی تبدیل شده و نقش موثری در کاهش آلودگی هوا ایفا می کنند.

طول عمر کاتالیست بسته به سوخت مصرفی خودرو که بنزین یا گازوئیل است متفاوت بوده و پس از مدتی که حدودا ۴ سال تخمین زده شده است باید تعویض شوند.

پروموتر کاتالیست چیست؟

همانطور که شرح داده شد پروموتر یا شتاب دهنده فعالیت کاتالیزور را در یک فرآیند افزایش می دهد. به عنوان مثال در فرآیند تولید آمونیاک هابر ، نیتروژن با هیدروژن واکنش داده و NH3 را تشکیل می دهد. نیتروژن واکنش پذیری بسیار کمتری دارد و بازدهی آمونیاک بسیار کم است ، برای افزایش بازدهی تولید آمونیاک، NO تشکیل شده به عنوان یک پروموتر استفاده می شود.