تلفن 021-88848547   021-88317033

ارسال مواد خریداری شده به سراسر کشور در اسرع وقت

کاتالیزگر چیست و چه نقشی در واکنش های شیمیایی دارد؟

مقالات (عمومی)

کاتالیزگرها مهمترین اجزاء واکنش های شیمیایی هستند. کاتالیزگر به ماده ای اطلاق می شود که واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشد، بدون اینکه خود در واکنش شرکت کند. با کمک یک کاتالیزور، مولکول هایی که ممکن است سال ها طول بکشد تا با یکدیگر واکنش دهند، این کار را در چند ثانیه انجام می دهند.

همه صنایع از تولید پلاستیک گرفته تا دارو به شدت به کاتالیزگرها متکی هستند. این ترکیبات به پردازش نفت و زغال سنگ به سوخت مایع بسیار کمک می کنند و نقش کلیدی در فناوری های انرژی پاک بازی می کنند. کاتالیزگرهای طبیعی در بدن (معروف به آنزیم)، نقش مهمی در هضم و بسیاری از عملکردهای مناسب بدن دارند.

نقش کاتالیزگر در واکنش شیمیایی

در طول هر واکنش شیمیایی، پیوندهای شیمیایی بین اتم‌ های کاتالیزگرها شکسته و با اتم های مختلف پیوندهای جدیدی ایجاد می کنند. یک کاتالیزگر در واکنش شیمیایی مصرف نمی شود، اما به کاهش انرژی فعال سازی در واکنش کمک می کنند. به عبارت دیگر، کاتالیزگر هم واکنش دهنده و هم محصول یک واکنش شیمیایی است و فقط مقدار بسیار کمی کاتالیزگر برای کاتالیز یک واکنش مورد نیاز است.

یک کاتالیزگر یک حالت گذار متفاوت برای یک واکنش شیمیایی با انرژی فعال سازی کمتر ارائه می دهد. کاتالیزور تعادل شیمیایی واکنش را تغییر نمی دهد، زیرا هم بر سرعت رو به جلو و هم بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد. همچنین ثابت تعادل یک واکنش را نیز تغییر نمی دهد.

یکی از فناوری هایی جدید که برای کار به کاتالیزگر نیاز دارد، ساخت پیل سوختی هیدروژنی است. در این دستگاه ها، گاز هیدروژن (H۲ ) با گاز اکسیژن (O۲ ) واکنش داده و آب (H۲O) و الکتریسیته تولید می کنند. این سیستم ها را می توان در یک وسیله نقلیه هیدروژنی یافت، که در آن الکتریسیته برای تامین انرژی موتور ایجاد می شود.

پیل سوختی باید اتم های موجود در مولکول های هیدروژن و اکسیژن را جدا کند، تا این اتم ها بتوانند برای ایجاد مولکول های جدید تغییر شکل دهند. با این حال، بدون کمک کاتالیزور، این تغییر شیمیایی بسیار کند انجام می شود. بنابراین پیل سوختی از یک کاتالیزگر پلاتین برای پیشبرد این واکنش ها استفاده می کند.

انواع کاتالیزگرها

کاتالیزگرها به سه نوع دسته بندی می شوند. این دسته بندی ها عبارتند از:

  • همگن
  • ناهمگن (جامد)
  • کاتالیزگرهای زیستی

 

کاتالیزگر همگن

در کاتالیزورهای همگن، مخلوط واکنش و کاتالیزگر هر دو در یک فاز هستند. این امر منجر به برهمکنش زیاد بین این مواد می شود، که منجر به واکنش پذیری و انتخاب پذیری بالا در شرایط واکنش ملایم می شود. برخی از نمونه ‌های کاتالیزورهای همگن عبارتند از: اسیدهای برونستد و لوئیس، فلزات واسطه، کمپلکس‌ های آلی فلزی و کاتالیزگر های آلی. برخی از فرآیندهای شیمیایی که از طریق کاتالیز همگن رخ می دهند، عبارتند از کربونیلاسیون، اکسیداسیون، هیدروسیاناسیون و هیدروژنه شدن.

کاتالیزگر ناهمگن

در کاتالیزورهای ناهمگن، کاتالیزگرها در فازی متفاوت از مخلوط واکنش وجود دارند. برخی از فرآیند های که از کاتالیزورهای ناهمگن استفاده می کنند، عبارتند از فرآیند هابر-بوش برای سنتز آمونیاک، فرآیند فیشر-تروپش برای تولید انواع هیدروکربن ها.

کاتالیزگرهای ناهمگن به دلیل جداسازی آسان محصول و بازیابی کاتالیزور در فرآیندهای صنعتی بسیار کاربرد دارند. کاتالیزگرهای ناهمگن ممکن است به صورت ذرات ریز، پودر و گرانول استفاده شوند.

بیوکاتالیست ها

پروتئین‌ های طبیعی (آنزیم ‌ها) یا اسیدهای نوکلئیک (RNA یا ریبوزیم ‌ها و DNA) که برای کاتالیز واکنش ‌های شیمیایی خاص در خارج از سلول‌ های زنده استفاده می ‌شوند، بیوکاتالیز نامیده می‌ شوند. این آنزیم ها از بافت های حیوانی، گیاهان و میکروب ها (مخمر، باکتری یا قارچ) به دست می آیند.

گزینش پذیری بالا، راندمان بالا، سازگاری با محیط زیست و شرایط واکنش ملایم، نیروهای محرکه برای استفاده در مقیاس بزرگ از آنها و تبدیل بیوکاتالیست‌ ها به جایگزینی برای کاتالیزورهای صنعتی معمولی است.

پیشرفت قابل توجه در زمینه مهندسی پروتئین و تکامل مولکولی، دنیای بیوکاتالیزور ها را برای سنتزهای صنعتی مواد شیمیایی خوب، مواد فعال (API) سوخت های زیستی (مثلا لیپاز برای تولید بیودیزل از روغن نباتی) و صنایع لبنی متحول کرده است. تثبیت آنزیم ها بر روی پایه های جامد، آنزیم ها را به کاتالیزور جامد ناهمگن تبدیل می کند که باعث افزایش فعالیت، پایداری و افزایش طول عمر کاتالیزور می شود که می تواند برای چرخه های زیادی مورد استفاده مجدد قرار گیرد.

نمونه هایی از کاتالیزگرهای معدنی

کاتالیزورهای معدنی ترکیباتی هستند که در فرآیندهای بیولوژیکی شرکت نمی کنند. این مواد شامل فلزات عنصری و سایر مواد معدنی هستند. این مواد واکنش های شیمیایی را سرعت می بخشند، اما ساختار آنها در واکنش تغییر نمی کند. نمونه هایی از کاتالیزگرهای معدنی در واکنش های شیمیایی عبارتند از:

پرمنگنات پتاسیم:

از واکنش دو مولکول پراکسید هیدروژن، دو مولکول آب و یک مولکول اکسیژن تولید می شود. برای تسریع این فرآیند می توان از کاتالیزور پرمنگنات پتاسیم استفاده کرد. افزودن پرمنگنات پتاسیم به پراکسید هیدروژن، باعث واکنشی می شود که گرمای زیادی تولید می کند و بخار آب خارج می شود.

پلاتین:

مبدل کاتالیزوری در خودرو، حاوی پلاتین است که به عنوان یک کاتالیزگر برای تبدیل مونوکسید کربن که یک گاز سمی است به دی اکسید کربن عمل می کند.

آهن:

هنگام تولید آمونیاک، آهن یک کاتالیزور مفید است. این واکنش که به فرآیند هابر معروف است، نیتروژن و هیدروژن را به آمونیاک تبدیل می کند. آهن شکستن پیوندهای نیتروژن را تسریع می کند، تا واکنش پذیرتر شوند.

اکسید وانادیوم:

اسید سولفوریک برای تبدیل شدن به تری اکسید گوگرد، به دی اکسید گوگرد نیاز دارد. هنگامی که دی اکسید گوگرد را از روی اکسید وانادیوم عبور می دهید، اکسید می شود. به این معنی که یک مولکول اکسیژن، دی اکسید گوگرد را به تری اکسید گوگرد تبدیل می کند.

نمونه هایی از کاتالیزگرهای آلی

کاتالیزگرهای آلی به عنوان «ارگانوکاتالیست» نیز شناخته می شوند. آنها از عناصر غیر فلزی مانند کربن، هیدروژن و گوگرد تشکیل شده اند. کاتالیزورهای زیستی، مانند پروتئین ها و آنزیم ها، نوع دیگری از کاتالیزورهای آلی هستند که با فرآیند های شیمیایی بیولوژیکی درگیر هستند. مانند کاتالیزورهای معدنی، این مواد نیز پس از اتمام واکنش به شکل اصلی خود باقی می مانند. نمونه هایی از این کاتالیزگرها عبارتند از:

پرولین:

پرولین یک اسید آمینه طبیعی است، که می تواند بیوسنتز شود. این ماده به عنوان یک کاتالیزگر در بسیاری از فرآیند های بیولوژیکی عمل می کند.

دیاستاز:

وقتی چیزی می خورید که شامل نشاسته است، آنزیم های دیاستاز کاتالیزورهای هضم بدن شما هستند. آنها در بزاق ظاهر می شوند و نشاسته را به مالتوز تجزیه می کنند، تا بدن بتواند آنها را در معده هضم کند.

لاکتاز:

اکثر افراد در روده کوچک خود آنزیم لاکتاز دارند که تجزیه شیمیایی لاکتوز شیر و محصولات لبنی را آغاز می کند. افرادی که عدم تحمل لاکتوز دارند، به اندازه کافی  این آنزیم در بدن خود تولید نمی کنند و نمی توانند لبنیات را به طور کامل هضم کنند.

آلکالین فسفاتاز (ALP):

آلکالین فسفاتاز که در کبد، دستگاه گوارش و استخوان ها یافت می شود، کاتالیزوری برای تجزیه پروتئین ها در بدن است. همچنین این آنزیم ها به واکنش هایی که شامل هضم و رشد استخوان ها می شوند، کمک می کنند.

برچسب ها

آیا مقاله برای شما مفید بود؟ آن را با دوستان خود به اشتراک بزارید