کاتالیزور از دو صفت
کاتا و
لیزور تشکیل شده است در زبان یونانی (کاتا) به معنای
پائین،
افتادن، یا
پائین افتادن است و (لیزور) به معنی
قطعه قطعه کردن می باشد. در برخی زبانها کاتالیزور را به معنی
گردهم آوردن اجسام دور از هم معرفی کرده اند تجربه نشان داده است که واکنش با کاتالیزور در دمای کمتری صورت می گیرد و هم چنین کاتا لیزور
انرژی اکتیواسیون را پائین می آورد یا کاهش می دهد یا باعث می شود ملکولهای درشت به ملکولهای کوچکتر قطعه قطعه و شکسته شوند.
اولین گزارش مربوط به
کریشف می باشد که با استفاده از یک
اسید به عنوان کاتالیزور توانست
نشاسته را به
قند هیدرولیزه کند. بعدها دیوی توانست واکنش
اکسید اسیون هیدروژن را با
اکسیژن در حضور کاتالیزور
پلاتین انجام دهد که این واکنش یک
واکنش گرما گیر بوده و در نتیجه هنگام انجام واکنش جرقه تولید می شد کاتالیزور به دو نوع
کاتالیزور مرغوب و نامرغوب تقسیم می شود.
اما
انقلاب تکنولوژیک اصل در زمینه کاتالیزور مربوط به نیمه قرن 19 یعنی بین سالهای (1980 ـ 1950) می باشد.
اولین کار در توضیح اینکه چرا یک واکنش کاتالیزوری انجام می گیرد و کاتالیزور چه نقشی دارد توسط فارادی انجام شد (جذب
اتیلن سطح pt را موقتا مسموم می کند در حالکیه جذب سولفور پلا تین را دائما مسموم می کند) بیشترین بهره برداری از کاتالیزور در
جنگ جهانی بود. دهه 1960 ـ 1950 دهه ای است که با تولید
کاتالیزورهای زیگرناتا ترکیبات بسیار هم و استراتژیک ساخته شد.
کاتالیزور مرغوب به کاتالیزوری گفته می شود که فقط اجازه تشکیل یک نوع محصول را بدهد اگر در حضور کاتالیزور محصولات متفاوتی امکان تشکیل داشته باشند
کاتالیزور نامرغوب تلقی میشود.
کاتالیزور ماده ای است که سرعت یک واکنش شیمیایی را افزایش می دهد بدون آنکه خود در جریان واکنش مصرف شود. کاتالیزور واکنش را می توان بدون تغییر در پایان واکنش به دست آورد مثلا سرعت تجزیه Kcl o
3 مقدار کمی MNO
2می توان فوق العاده زیاد کرد. در معادله ای که برای این تغییر نوشته می شود کاتالیزور را بالای پیکان می گذارند زیرا کاربرد آن در استو کیو متری کل واکنش اثری ندارد
.Kclo
3---------,<2Kcl+30
2
کاتالیزور نمی تواند موجب وقوع واکنش های شود که از نظر ترمودینامیک امکان وقوع ندارند. به علاوه صرفا حضور کاتالیزور نیست که (احتمالا به عنوان یک بخش فعال کننده) موجب اثر بر سرعت واکنش می شود. در یک واکنش کاتالیزور دار اتالیزور ،کاتالیزور در یک مرحله عملا مصرف می شود و در مرحله بعدی بار دیگر تولید می گردد و این عمل بارها تکرار می گردد. بدون آنکه کاتالیزور دچار تغییر دائمی شود.
بنابراین کار کاتالیزور آن است که راه تازه ای برای پیشرفت واکنش می گشاید؛ بدین ترتیب مکانیسم کاتالیزور دار با یک واکنش بی کاتالیزور تفاوت دارد. انرژی فعال سازی راهی که واکنش به کمک کاتالیزور طی می کند کمتر از انرژی فعال سازی راهی است که همان واکنش بدون کاتالیزور می پیماید (شکل 1)ا.و ابن وا قعیتی است که علت سریعتر شدن واکنش را توجیه می کند. وقتی کاتالیزور به کار برده می شود مولکولهای نسبتا بیشتری انرژی لازم برای یک برخورد موفق پیدا می کنند (شکل 2)بدین ترتیب عده کل برخوردهای موثر در واحد زمان، که موجب انجام واکنش می شوند. افزایش می یابد.
در (شکل .1.) به دو نکته دیگر نیز پی می بریم نخست آنکه تغییرات انرژی برای واکنش کاتالیزور دار و واکنش بی کاتالیزور یکسان است دیگر آنکه انرژی فعال سازی واکنش معکوس، نیز به هنگام استفاده از کاتالیزور کاهش می یابد و مقدار کاهش آن درست برابر کم شدن انرژی صال سازی واکنش کاتالیزور دار اصلی،است این بدان معنی است که کاتالیزور بر یک واکنشی و واکنش معکوس آن اثر یکسان دارد. اگر یک کاتالیزور سرعت یک واکنش را دو برابر کند همان کاتالیزور و سرعت واکنش معکوس آن را نیز دو برابر خواهد کرد.
بسیاری از فرایندهای صنعتی به اعمالی بستگی دارند که با کاتالیزور صورت می گیرند ولی کاتالیزور هایی که برای انسان مورد اهمیت بیشتری دارند کاتالیزور های طبیعی یعنی
آنزیم ها هستند. این مواد فوق العاده پیچیده، فرایندهای حیاتی مانند گوارش و سنتز سلولی را کاتالیزور می کنند. عده زیادی از واکنشهای شیمیایی پیچیده که در بدن صورت می گیرد و برای حیات ما ضرورت دارد به علت اثر آنزیم ها در دمای پائین بدن امکان وقوع پیدا می کنند هزاران آنزیم وجود دارند که هر یک وظیفه خاصی را انجام می دهند. تحقیق درباره ساختمان و عمل آنزیم ها نوید های فراوانی درباره پیشرفت شناخت عامل بیماری و مکانیسم رشد، می دهد.
در
کاتالیزور همگن، ماده ای که بعنوان کاتالیزور کار می کند با مواد واکنش دهنده در یک فازند. ولی در یک
کاتالیزور ناهمگن یا کاتالیزور سطحی، مواد واکنش دهنده و کاتالیزور در دو فاز مجزا کنار هم هستند و واکنش در سطح کاتالیزور صورت می گیرد. نمونه ای از کاتالیزور همگن در فاز گازی اثر کلر در تجزیه دی نیترون اکسید است.
گاز دی نیترون اکسید در دمای اتاق گاز نسبتا بی اثری است؛ اما در دماهای نزدیک به صد درجه طبق معادله زیر تجزیه می شود.
(2N
2o(g)--------->2N
2(g)+o
2(g
lمطالعات سینتیک نشان می دهد که واکنش مذکور بر اثر برخورد بین دو ملکول کلر کاتالیزور می شود
;
کاتالیزور همگن در محلول نیز ممکن است صورت گیرد بسیاری از واکنشها بوسیله اسیدها و بازها کاتالیزور می شوند. تجزیه هیدروژن پر اکسید در حضور پون یدیدکاتالیز می شود.
کاتالیزور ناهمگن عمدتا از طریق جذب سطحی شیمیایی مواد واکنش دهنده، بر سطح کاتالیزور صورت می گیرد جذب سطحی فرآیندی است که در جریان آن مولکولها به سطح جسمی جامد می چسبند؛ مثلا در ماسکهای گازی زغال به عنوان یک ماده حاذن برای گازها زیان آور به کار می رود. در جذب سطحی فیزیکی معمولی، مولکولهای بوسیله نیروهای و اندروالی به سطح ماده جاذب، گیر می کنند، بنابراین مولکولهایی از گاز که جذب سطحی شده اند تا همان حد تحت تاثیر قرار گرفته اند که گویی مایع شده باشند. در جذب سطحی شیمیایی مولکولهای جذب شده، با پیوندهایی که قابل مقایسه با پیوندهای شیمیایی است، به سطح ماده کاتالیزور رنگه داشته می شوند. در فرایند تشکیل پیوند با ماده جاذب، مولکولهایی که به طور شیمیایی جذب شده اند، دچار تغییر آرایش الکترونی درونی می شوند پیوندهای درون بعضی از مولکولهای کشیده و ضعیف، و حتی پیوند بعضی از آنها شکسته می شوند. مثلا هیدروژن به صورت اتمی بر سطح پلا تین جذب می شود بنابراین تعدادی از ملکولها که به طور شیمیایی جذب سطحی شده اند به صورت کمپکس فعال شده یک واکنشی که در سطح کاتالیزور شده عمل می کند.
تا کنون جذب سطحی شیمیایی و کاتالیز سطح کاملا فهمیده نشده است، فقط فرضهایی قابل قبول برای مکانیسم چند واکنش خاصی مطرح شده است..
نظری دال بر اینکه نقصها یا بی نظمیهای شبکه در سطح کاتالیزور جای فعالی برای عمل کاتالیزور است، اولین فرضیه برای توضیح عمل تقویت کننده های کاتالیزور ها مناسب است، تقویت کننده ها موادی هستند که فعالیت کاتالیزور ها را زیاد می کنند. مثلا در سنتز آمونیاک
N
2(g)+3H2(g)----------->2NH3(g)
اگر کاتالیزور آهن با مقدار کمی پتاسیم یا وانادیم آمیخته شده باشد بیشتر موثر واقع می شود. سموم کاتالیزور موادی هستند که کاتالیزور ها را از فعالیت باز می دارند. مثلا مقدار کمی آرسینک توانایی پلا تین را که کاتالیزور تبدیل سولفور دیوکسید،به سولفور تریوکسید است، از بین می برد.
2So2(g)----------->2So2(g)
احتمال در این عمل بر سطح پلا تین، پلاتینم ارسیند تشکیل می شود و فعالیت کاتالیزوری از میان می رود.
فعالیت کاتالیزورها عمدتا بسیار اختصاصی است. در پاره ای موارد که کاتالیزور معین موجب سنتز نوعی محصولات خاص از بعضی مواد می شود حال آنکه کاتالیزور دیگر موجب سنتز محصولات کاملا متفاوت دیگری از همان مواد می شود. البته در این موارد امکان وقوع هر دو واکنش از لحاظ ترمودینامیکی میسر است مثلا کربن مونوکسید و هیدروژن بر هم اثر می کنند و بسته به شرایط واکنش و نوع کاتالیزور مصرف شده محصولات بسیار متنوعی ایجاد می کنند. اگر کبالت یا نیکل به عنوان کاتالیزور در به کاربرده شود، مخلوطی از هیدروکربنها به وجود می آورد.
در این جانیکل به عنوان یک کاتالیزور نامرغوب عمل می کند.
Co(g)+3H2(g)------------>CH4(g)+H2O
و اگر مخلوطی از روی و اکسید کرم به عنوان کاتالیزور مصرف شود از واکنش متانول تولید می شود.
Co(g)+2H2(g)------------>cH3oH(g)
برای این واکنش یک کاتالیزور مرغوب است.
کاتالیزور مرغوب کاتالیزوری است که انتخابی عمل کند.
غیر فعال شدن کاتالیزورها
معمولا تمام کاتالیزورها دارای یک عمر معین هستند که پس از سپری شدن آن فعالیت موثر آنها کاهش می یابد که ممکن است به طور ناگهانی یا تدریجی باشد (افت فعالیت) در چنین مواقعی معمولا بسته به نوع و مکانیسم غیر فعال شدن مفهوم کاتالیروز را بازیابی یا جایگزین کرد در این مواقع باید تصمیم بگیریم که آن را تعویض یا احیا کنیم. تصمیم بر اساس مکانیسم های غیر فعال شدن است و مهمترین و متداولترین مکانیسم غیر فعال شدن عبارت است از:
1ـ در کاتالیزور های نفتی تجزیه هیدروکربنها در دمای بالا موجب تشکیل لایه ضخیمی از کربن غیر فعال روی سطوح کاتالیزور می گردد که همین دوره باعث می شود که روی سایت کاتالیزور پوشیده و از کار می افتد.
2 ـ پدیده دوم مربوط به مسموم شدن کاتالیزور می باشد این پدیده زمانی اتفاق می افتد که ماده جذب شونده باعث تعییر آرایش کاتالیزور می شود آرایش بلوری در فعالیت کاتالیزور نقش اساسی دارد تغییر آرایش بلوری باعث غیر فعال شدن آن می شود عواملی مانند سولفور این پدیده را ایجاد می کند.
3ـ عامل سوم مربوط به وجود ناخالصیهای فلزی در سطح کاتالیزور می باشد. این ناخالصیها در مناطق فعال جذب و فعالیت کاتالیزور را کاهش می یابد.
4 ـاورگانومتالیکهای فلزی معمولا به مقدار بسیار به عنوان کاتالیستها مورد استفاده قرار می گیرند از تجزیه ناخواسته این کاتالیستها در دمای بالا اورگانومتالیکهای تیتانیم و وانادیم فلزات ایجاد شده ضمن بلکه کردن کانالهای کاتالیکی باعث کاهش فعالیت کاتالیزوری می شوند.
5 ـ معمولا ساختمان کاتالیزور ها یک ساختمان متخلخل و پرزدار است .حفره های میکرونی در روی کاتالیزور وجود دارد که شوکهای حرارتی باعث مسدود شدن این میکرو پرزها می گردد بنابراین شوکهای حراراتی ممکن است فعالیت کاتالیزور ها را کاهش دهد.
بازیابی کاتالیزورها
1ـ کاتالیزور را با عبور هوای گرم احیا کرد.
2ـ در مکانیسم های دیگر از وجود ناخالصیها که باعث مسموم شدن کاتالیزور می شود جلوگیری کرد .
طبقه بندی سیستم های کاتالیکی
عملکرد کاتالیزور هادر دو فار هموژن و هتروژن انجام می گردد فاز هموژن حالتی است که مواد واکنش دهنده و کاتالیزور در یک فار قرار می گیرند حال آنکه اگر عملکرد کاتالیزور و مواد واکنش دهنده در دو فاز مختلف باشد و مرز فیزیکی بین کاتالیزور و مواد واکنش دهنده وجود داشته باشد چنین فازی را هتروژن می گویند
.
کاتالیزور های جامد
1ـ جامد فلزی 2ـ کاتالیزورهای اکسید فلزی 3 ـ کاتالیزور های اکسید فلزی و عایق 4ـ کاتالیزورهایی با عملرد ویژه
1ـ جامد فلزی: مناسب واکنشهایی هستند که مواد واکنشی از هیدروژن و یا هیدرو کربن تشکیل شده عمده کاتالیزورهای این دسته از عناصر واسطه تشکیل می گردد. مثل نقره ـ پلاتین، آهن و نیکل و پالادبم.
معمولا ویژگی این فلزات و کاتالیزورها به گونه ای است که هم هیدروژن و هم هیدروکربن به راحتی در سطح این کاتالیزورها جذب می گردند این کاتالیزورها برای واکنشهای هیدروژن و هیدروژن گیری مناسب است برای واکنشهای اکسید اسیون مناسب نیست چون احتمال اکسید شدن خود فلزات هم وجود دارد.
2ـ کاتالیزورها اکسید فلزی: صل اکسید روی ـ اکسید نیکل_ اکسید منگنز ـ اکسید کرومـ اکسید بیسموت، اکسید مولیبدن
ویژگی این کاتالیزورها در این است که می توانند در واکنش اکسیژن مبادله کنند( یعنی می توانند اکسیژن را دوباره به حالت اول برگرداند).
3ـ کاتالیزروهای اکسید فلزی _عایق: اکسید منیزیم، اکسید آلومینیم، سیلیس.
این کاتالیزورها به عنوان جاذبه الرطوبت مورد استفاده قرار می گیرند.
4 ـ کاتالیزورهای زیگلرناتادر پلیمریزاسیون استفاده می شود نسل جدیدی از کاتالیزورهای زیگلر ناتا در متالوسیون استفاده می شود.
عوامل موثر در فعالیت کاتالیزور
1ـ سطح کاتالیزور
2ـ قدرت و استحکام پیوند جذبی
راههای افزایش سطح کاتالیزور
1ـ پودر کردن یعنی افزایش سطح کاتالیزور به طریق فیزیکی
2ـ ایجاد خلل و فرج و کانالهای بسیار ظریف میکروسکوپی در بدنه کاتالیزور
3ـ نشاندن کاتالیزور روی بستری از آلومینا و زئولیت.
4ـمتخلخل کردن کاتالیزور.
کاربرد کاتالیزور
کاتالیزور در سه بخش به کار می رود.
1 ـ صنعت اتومبیل: در این بخش کاتالیزورها به صورت مستقیم و غیر و مستقیم استفاده می شوند. در اگزوز اتومبیلها بستری از فلزات جامد مثل pt روی پایه آلومینات قرار گرفته و هیدرو کربنها ی مضر مثل co و غیره را جذب می کند.
2ـ صنعت نفت و پالایش مواد نفتی عمده ترین مصرف کاتالیزور ها در صنعت نفت در دو پروسه کراکینگ ( شکستن مولکولهای درشت به کوچک) و رفر مینگ ( دوباره باز آرائی و ترکیب مولکولهایی برای تولید) می باشد. در صنعت نفت بیشتر کاتالیزورهای زیگلرناتا، کاتالیزورهای فلزی و ارگانومتالیک مثل رودیوم استفاده می شود.
3ـ تولید مواد شیمیایی:
