Catalizatorii Viitorului

  • Uploaded by: Bondris Andrei
  • 0
  • 0
  • January 2021
  • PDF

This document was uploaded by user and they confirmed that they have the permission to share it. If you are author or own the copyright of this book, please report to us by using this DMCA report form. Report DMCA


Overview

Download & View Catalizatorii Viitorului as PDF for free.

More details

  • Words: 2,297
  • Pages: 7
Loading documents preview...
Catalizatorii Viitorului Cataliza este un fenomen fizico-chimic in care viteza de reactie se modifica in prezenta unor mici cantitati de diferite substante, denumite catalizatori. Catalizatorii sunt substante de felul metalelor (Ni,Pt,Co,etc), oxizilor, acizilor (HCl,etc), bazelor (NaOH, KOH,etc), sarurilor, etc., care introduse in mediul de reactie in cantitati mici sau foarte mici, modifica viteza de reactie, iau parte la reactia chimica intr-un anumit stadiu al ei, dar care la sfarsitul reactiei se regasesc in cantitatea initiala fara sa fi suferit vreo transformare chimica.

Istoric Observatii despre astfel de substante au fost facute inca din antichitate de Aristotel Notiunea de catalizator a fost introdusa in chimie de savantul suedez Jacob Jons Berzelius in 1835. Karl Ziegler (1898-1973), chimist german si laureat Nobel. Prin cercetarile sale in domeniul catalizei si catalizatorilor, a adus valoroase contributii domeniului maselor plastice, ajutand la dezvoltarea unor produse ca polypropylenul, fibre artificiale si cauciucul sintetic. Pentru descoperirea unui catalizator care produce un plastic mai dur care a revolutionat industria, a primit Premiul Nobel in chimie in 1963. Paul Sabatier (1854-1941), chimist francez si laureat Nobel, cunoscut pentru descoperirile sale in folosirea catalizatorilor pentru intensificarea reactiilor chimice. A fost nascut in Carcassonne, Franta. A descoperit ca marind suprafata catalizatorilor precum nichelul si arama a marit efectul lor. In 1897 el si chimistul francez Jean Baptiste Senderens au dezvoltat procesul hidrogenarii catalitice a uleiurilor, care a devenit important in industrie. Sabatier a casticat Premiul Nobel in chimie in 1912. Industrial, primul catalizator folosit a fost apa in 1838 la oxidarea dioxidului de sulf cu acid azotic. Catalizatorul influenteaza numai reactiile care s-ar produce cu o viteza mica sau chiar foarte mica si fara el dar intr-un timp mai lung. De exemplu sinteza apei din H2 si O2 nu are loc la temperatura camerei. Daca insa in amestecul gazos de oxigen si hidrogen, introducem platina , fin divizata, reactia se produce rapid. La sfarsitul reactiei se observa ca platina a ramas neschimbata in cantitatea initiala. O importanta a catalizatorilor este aceea de a micsora energia de activare a reactiilor. Catalizatorii pot fi pozitivi si negativi: primii maresc viteza de reactie, iar ceilalti o micsoreaza (inhibitori). Catalizatorul nu modifica echilibrul chimic al unei reactii reversibile si accelereaza sau micsoreaza in acelasi timp si in aceeasi masura viteza de reactie a celor doua reactii contrare; el determina atingerea mai rapida a acestui echilibru. Dupa starea de agregare a catlizatorului, cataliza poate fi de doua feluri si anume:

cataliza omogena , in care atat catalizatorul numit strat , cat si substantele ce reactioneaza numite substrat, formeaza un sistem omogen constituit dintr-o singura faza , gazoasa sau lichida. - cataliza eterogena , in care catalizatorul si reactantii formeaza un sistem eterogen alcatuit din mai multe faze; in cataliza eterogena, catalizatorul este de obicei in stare solida iar reactantii in stare gazoasa sau lichida. Cataliza eterogena are loc in trei stadii consecutive : -

- adsorbtia moleculelor reactantilor pe suprafata catalizatorului; - reactia dintre moleculele adsorbite; - desorbtia produsilor de reactie, adica trecerea in mediul inconjurator a substantelor adsorbite. Absorbtia este de doua feluri : adsorbtie prin forte van der Waals si adsorbtie activata (chemosorbtie). Adsorbtia prin forte van der Waals se face rapid si are loc la temperaturi joase. Caldurile de adsorbtie van der Waals sunt mici. Adsorbtia activata sau chemosorbtia este lenta si insotita de o mai mare degajare de caldura decat in cazul precedent deoarece in urma interactiunii dintre atomii centrelor active ai catalizatorului si moleculele substratului se stabilesc legaturi de natura chimica rezultand adevarate combinatii chimice.

CLASIFICAREA CATALIZATORILOR Catalizatori fizici: - cărbune de lemn fin divizat - cărbune animal fin divizat Catalizatori chimici: -

Acizi (H 3O+) – hidroliză, esterificare, eterificare

-

Bazici (OH -) – saponificare, reducere

-

Săruri (Mn, Ce, W, Mo) – oxidare

-

Metale (VIII b: Fe, Co, Ni) – reacţii de reducere

-

Oxizi anhidri (Al2O3, V2O5, TiO2) – deshidratare, esterificare, dehidrogenare Catalizatori biochimici:

-

Vitamine

-

Hormoni

-

Enzime

Aceşti catalizatori sunt implicaţi în reacţii de hidroliză, redox, acido-bazice etc. Enzimele au un suport coloidal – apoenzima, de care se leagă grupa activă propriu zisă – coenzimă. Apoenzima asigură legătura dintre coenzimă şi substrat şi determină specificitatea enzimei.

Vitaminele regleaza una sau mai multe faze ale metabolismului intermediar,influenteaza activitatea enzimelor sau intervin direct in procese redox sau chiar in sinteza enzimelor; Vitaminele sunt substante organice indispensabile vietii si este necesar sa le aducem in alimentatia zilnica in cantitate suficienta. Acestea sunt sintetizate, in principal, de catre organismele vegetale si de catre microrganisme, si numai in foarte mica masura de catre unele specii de animale. Alaturi de enzime si de hormoni, vitaminele fac parte din grupa catalizatorilor biologici, care contribuie decisiv la reglarea si stimularea proceselor metabolice. Intr-adevar, corpul nostru nu le fabrica, cu exceptia vitaminei D, care este sintetizata de piele sub actiunea radiatiilor solare. Cu toate ca vitaminele nu sunt sursa vietii insesi, ele sunt indispensabile in majoritatea reactiilor biochimice care permit mentinerea vietii celulare. Vitaminele servesc transformarii alimentelor in energie. Astfel, fiecare tesut are in mod specific nevoie de anumite vitamine. De exemplu, ochii au nevoie de vitaminele A si B; pielea - de vitaminele A,B,C si E; globulele rosii - de vitaminele B si E; mucoasele - de vitaminele B si E; ficatul - de vitaminele K si B; creierul si inima - de vitaminele B si F; oasele - de vitamina D; globulele albe - de vitaminele B si C etc. Numeroase studii stiintifice dovedesc ca, cu cat absorbtia de proteine, de zaharuri si de grasimi este mai mare, cu atat este mai necesara marirea aportului de vitamine naturale. Deficitul vitaminic se traduce prin oboseala, dureri musculare, iritabilitate, insomnie, tulburari de crestere si risc crescut de infectii. Horminii aceştia acţionează ca reglatori chimici si bio-catalizatori, influienţând dezvoltarea, creşterea, viaţa psihică şi fizică. Un nivel echilibrat al hormonilor din sânge este condiţia de bază a funcţionării a organismului. Enzimele sunt catalizatori biochimici propriu-zisi, asadar sunt compusi care maresc viteza reactiilor chimice ce se desfasoara in sistemele biologice, fara sa se consume in cursul lor. Din cea mai indepartata antichitate sunt cunoscute procese enzimatice cum sunt fermentatia vinului, dospirea painii etc. Dar cunostinte sistematice in acest domeniu s-au obtinut incepand cu identificarea primelor enzime: amilaza din malt(Kirchoff, 1814), amilaza salivara(Leuchs, 1831) si pepsina(Schwann, 1836). Ulterior, progrese importante s-au realizat prin lucrarile privind cataliza si biocataliza ale lui Berzelius Liebig, prin studiile asupra cineticii ale lui Michaelis si Menten(1912), prin obtinerea enzimelor in stare cristalizata(Sumner, 1926). S-au efectuat lucrari numeroase de-a lungul anilor dovedindu-se prin acestea ca enzimologia constituie studiul bazelor moleculare ale vietii.

Proprietatile si caracteristicile catalizatorilor

Proprietatile fundamentale care definesc un catalizator sunt: activitatea, selectivitatea si stabilitatea. Pe lînga acestea, în aplicatiile industriale sunt necesare si alte proprietati ca: regenerabilitate, reproductibilitate, stabilitate mecanica si termica, anumite caracteristici morfologice.

1. Activitatea Activitatea catalitica este o marime care exprima masura în care o substanta sau un amestec de substante de o anumita compozitie, poate cataliza o reactie chimica. Formularea cantitativa a acestei proprietati este deseori neunitara fie din motive formale, fie din cauza conceptiilor diferite care stau la baza interpretarii fenomenului de cataliza. Pentru un anumit proces chimic, activitatea catalitica depinde de o multitudine de parametri ai procesului cât si de proprietatile fizice ale catalizatorului. Ea este functie de concentratia catalizatorului, a activatorilor, a reactantilor si a produsilor de reactie, a impuritatilor, de temperatura, presiune, suprafata specifica a catalizatorului, de raza medie a porilor granulei de catalizator, de diametrul mediu al granulelor, de viteza liniara a fluxului reactant gazos, de greutatea moleculara a reactantilor si a produsilor de reactie. Determinarea experimentala a activitatii catalitice functie de un anumit parametru se face pastrând constante celelalte variabile independente mentionate. O activitate ridicata este reflectata de productivitati ridicate când se folosesc fie reactoare si volume de catalizator relativ mici, fie conditii de operare blânde în special temperaturi scazute, care duce la cresterea selectivitatii si stabilitatii daca sunt favorabile conditiile termodinamice.

2. Selectivitatea Proprietatea catalizatorilor de a dirija transformarea chimica, preferential spre o directie anumita, din mai multe posibile termodinamic, se numeste selectivitate. Ca si activitatea, selectivitatea depinde de mai multi factori, cei mai importanti fiind compozitia amestecului de reactie si temperatura. Selectivitatea ridicata conduce la cantitati mari din produsii doriti, în conditiile în care sunt suprimate reactiile consecutive si competitive. Aceasta înseamna ca textura catalizatorului, în particular volumul si distributia porilor, poate fi modificata/îmbunatatita astfel încât sa se reduca difuzia interna, care în cazul reactiilor consecutive reduce selectivitatea.

3. Stabilitatea

Activitatea catalizatorilor solizi este rareori constanta în timp. Fiecare catalizator prezinta, într-o anumita reactie, o perioada de functionare optima.

Reactii catalitice Majoritatea reactiilor chimice, ca si o serie de procese tehnologice (fabricarea NH3, H2S04, HN03, cracarea fractiilor grele din titei etc.) folosesc cantitati mici de substante straine care maresc viteza de reactie sau chiar determina sensul unei reactii. Catalizatorii sunt substante care adangate in cantitate mica, modifica viteza unei reactii chimice (reactie termodinamic posibila si in absenta catalizatorului).

Catalizatorii au o actiune selectiva, determinind in unele cazuri chiar sensul transformarii chimice, de unde se trage concluzia ca ei intervin chimic in reactie. De exemplu, reactia de deshidratare a alcoolului etilic poate duce la etena sau la eter etilic, in functie de catalizatorii folositi. In prezenta de A1203 sau Si02, reactia predominanta conduce la formarea de etilena, iar folosind drept catalizator H2S04 sau H3P04 reactia cu viteza mai mare este cea de formare a eterului, Al2O3, SiO2 C2H5OH --------------------->C2H4 + H2O H3P04, H2S04 2C2H5OH ------------------->(C2H5)2O + H2O Prin masurarea vitezelor de reactie, in prezenta si in absenta catalizatorilor, calculandu-se energia de activare a proceselor, s-a ajuns la concluzia: catalizatorii actioneaza cinetic, modificind mecanismul proceselor chimice si prin aceasta micsorind energia de activare a reactiei chimice. Catalizaiorii sint deci substante care schimba viteza de reactie. prin participarea la reactii chimice intermediare cu componentii reactiei: recuperarea lor are loc dupa fiecare ciclu de reactie. Schimbarea vitezei reactiei catalizate se explica prin scaderea energiei de activare a etapelor sale intermediare. Sa presupunem pentru exemplificare ca substantele A si B pot forma un compus AB: A + B --> A .... B --> AB (Complex activat) AK+B Datorita energiei de activare inalta, starea de complex activat nu se poate realiza, incat reactia se produce cu viteza mica (practic zero). Daca consideram exista o substanta, K (catalizatorul), care poate reactiona usor cu A, pentru a forma compusul AK (energia de activare este joasa, interactia intre A si K fiind de natura diferita celei intre A si B): A+K -->A … K --> AK (Complex activat) Daca compusul AK reactioneaza usor cu B se obtine: B +AK- -> B .... AK --> AB + K (Complex activat) Insumind aceste ecuatii, se observa ca substanta folosita drept catalizator ramine neschimbata in

reactie: A + B = AB este evident ca o reducere a sa accelereaza mult viteza de reactie. In unele reactii, catalizatorul actioneaza ca donor de radicali liberi, reactia capatind un mecanism in lant. Astfel, oxidarea CO prin oxigen: 2 CO + O2 =2C02 este catalizata de prezenta vaporilor de apa, ca urmare a dezvoltarii lanturilor datorita radicaiilor liberi HO- si HHO + CO = CO2 + H H + O2 = HO + O CO + O = CO2

Convertorul catalitic Convertorul catalitic este un dispozitiv utilizat pentru a reduce toxicitatea emisiilor provenite de la motoarele cu ardere interna. Folosit pe scara larga pentru prima oara in productia de serie de Automobile pe piata americana, in anul 1975 model pentru a se conforma cu înasprirea reglementarilor EPA, cu privire la evacuare auto, convertoare catalitice sunt înca cel mai frecvent utilizate în sistemele de evacuare ale autovehiculelor. Un convertor catalitic ofera un mediu pentru o reactie chimica toxica combustie de unde produsele sunt convertite în mai putin de substante toxice. Convertorul catalitic a fost inventat de Eugene Houdry, un inginer mecanic francez care a trăit în Statele Unite. In jurul anului 1950, atunci carnd rezultatele studiilor preliminare asupra smogului din Los Angeles au fost publicate, Houdry a devenit ingrijorat in privinta rolului pe care il are sistemul de evacuare al automobilelor asupra poluarii aerului şi a fondat o companie specială, Oxy-Catalyst, pentru a dezvolta convertoare catalitice, pentru motoarele pe benzină - o idee foarte inovativa pentru pe care a si patentat-o . Problema catalizatoarelor timpurii era ca bezina utilizata continea tetraetil de plumb, un compus antidetonant puternic care din pacate aproape anula efectul catalizatoarelor si le distrugea. Convertorul catalitic este format din mai multe componente: 

Nucleul sau miezul. Nucleul este adesea un fagure ceramic în convertoarele catalitice moderne, dar sunt utilizati si faguri din oţel inoxidabil, de asemenea. Fagurele creşte cantitatea de suprafaţă disponibila pentru a sprijini catalizatorul, şi, prin urmare, este adesea numit un suport de "catalizator".



Strat auxiliar. Stratul auxiliar este utilizat pentru a face convertoare mai eficiente, de multe ori ca un amestec de siliciu şi alumină. Stratul, atunci când este adăugat nucleului, formează o suprafata neregulate, dura, care are o arie mult mai mare decât suprafaţa de bază plana, care apoi permite existenta a mult mai multor locuri pentru depunerea substantelor catalizatoare.



Catalizatorul în sine este cel mai adesea un metal preţios. Platinum este catalizatorul cel mai activ şi este utilizat pe scară largă. Acesta nu este potrivit pentru toate aplicaţiile, din cauza unor reacţii nedorite suplimentare şi / sau a costurilor. Paladiu si rodiu sunt două alte metale preţioase utilizate. Platină şi rodiu sunt folosite ca un catalizator de reducere, în timp ce platină şi paladiu sunt folosite ca un catalizator de oxidare. Ceriul, fierul, manganul şi nichelul sunt deasemenea folosite, cu toate că fiecare are propriile sale limitări. De exemplu, nichelul nu este legal pentru a fi utilizat în cadrul Uniunii Europene (din cauza reacţiei cu monoxidul de

carbon),in timp ce de cupru pot fi folosit, dar utilizarea sa este ilegală în America de Nord ca urmare a formării de dioxină.

Bondris Andrei

Related Documents


More Documents from "Rosu Aprins"