Search

سه شنبه 25 مهر 1396

منو

کاتالیزور همگن و ناهمگن

كاتاليزگرها به دو دسته كلي تقسيم بندي مي شوند:

1-كاتاليزگرهاي همگن 2- كاتاليزگرهاي ناهمگن. كاتاليزگرهاي همگن كاتاليزگرهايي هستند كه با مواد موجود در واكنشي كه قرار است به وسيله كاتاليزگر سرعتشان زياد شود، در يك فاز هستند.

كاتاليزگرهاي ناهمگن كاتاليزگرهايي هستند كه با مواد موجود در يك واكنش در يك فاز نيستند. به عنوان مثال مواد واكنش دهنده در فاز مايع (به صورت محلول) هستند، اما كاتاليزگر به صورت جامد مي باشد.

به عنوان مثال: واكنش زير را در نظر بگيريد:

C2H4 + H2? C2H6

عمل هيدروژن‌دار شدن در دو محيط صورت مي‌گيرد. الف) ناهمگن يا دوفاز ب) همگن يا يك فاز . هيدروژندار شدن ناهمگن روشي كلاسيك است و هنوز به طور گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرد. كاتاليزور ناهمگن، فلزي است كه به ذرات ريزي تقسيم شده است و معمولا" پلاتين، پالاديم يا نيكل مي‌باشد. محلولي از آلكن تحت فشار كم از گاز هيدروژن، در حضور مقدار كمي از كاتاليزور به هم زده مي‌شود. واكنش به سرعت و نرمي انجام مي‌گيرد. وقتي واكنش كامل شد، محلول محصول سير شده را به سادگي با صاف كردن از كاتاليزور نامحلول جدا مي‌كنند.

روش جديدتر هيدروژن‌دار شدن همگن، يك انعطاف‌پذيري را ارائه مي‌دهد كه با كاتاليزورهاي نوع ناهمگن امكان‌پذير نيست. با تغيير شكل در كاتاليزور، هيدروژن‌دار شدن را مي‌توان با گزينش‌پذيري بي‌سابقه‌اي انجام داد. به عنوان مثال چنانچه هم پيوند دو گانه كربن – كربن و هم پيوند سه گانه كربن – كربن و هم پيوند دو گانه كربن – اكسيژن داشته باشيم، با استفاده از اين نوع كاتاليزور مي‌توان تنها پيوند دو گانه كربن – كربن را ئيدروژ‌دار نمود. در هر دو نوع يك مولكول آلكن و يك مولكول هيدروژن بر روي كاتاليزود جذب سطحي شده و به وسيله نيروهاي ضعيف واندروالس به طور موقت به كاتاليزور متصل مي‌شوند. كاتاليزور پيوند H-H را در مولكول هيدروژن و پيوند پاي را در الكن سست نموده و درنتيجه اين دو مولكول با يكديگر به راحتي پيوند برقرار مي‌كنند.

مثالي ديگر از يك كاتاليزور همگن در فاز گازي، اثر كلر در تجزيه دي نيتروژن اكسيد است. دي نيتروژن اكسيد در دماي اتاق نسبتا" واكنش ناپذير است، اما واكنش توسط مقداري جزئي از گاز كلر، كاتاليز مي شود.

2N2O ? 2N2 + O2 (Cl2 كاتاليزور)

كاتاليزور همگن در فاز جامد: تجزيه ي پتاسيم كلرات (جامد) به وسيله منگنز اكسيد (جامد)

2KClO3 ? 2KCl (l) + 3 O2 (g) (MnO2 جامد )

توجه داشته باشيد كه حالت فيزيكي مواد واكنش دهنده مهم است و حالت فيزيكي محصولات براي يكسان بودن يا نبودن با كاتاليزور مهم نمي باشد.

كاتاليزور ناهمگن: در كاتاليزور ناهمگن واكنش دهنده ها و كاتاليزگر در فازهاي متفاوت وجود دارند. در اين فرآيندها، واكنش دهنده بر روي سطح كاتاليزور جذب مي شوند و واكنش در روي اين سطح انجام مي گيرد. در يك فرآيند جذب سطحي، مولكولها به سطح يك جامد مي چسبند. به عنوان مثال ، در ماسكهاي گاز، زغال به عنوان يك ماده جاذب گازهاي زيان اور به كار مي رود. در جذب سطحي فيزيكي معمولي، مولكولها توسط نيروهاي لاندن در سطح ماده جاذب نگه داشته مي شوند.

اما ممكن است كه مواد واكنش دهنده از طريق جذب سطحي شيميايي به كاتاليزگر متصل شوند. در اين نوع جذب، مولكولها با پيوندهايي كه از نظر قدرت مشابه با قدرت پيوند در تركيبات شيميايي هستند، در سطح نگه داشته مي شوند. هنگامي كه اين پيوندها تشكيل شوند، مولكولهاي جذب شده، متحمل تغييرات در آرايش الكتروني خود مي شوند. برخي از پيوندها در اين مولكولها ممكن است كشيده، ضعيف شده يا حتي شكسته شوند. اعتقاد بر اين است كه مولكولهاي ئيدروژن به صورت اتمهاي هيدروزن بر روي سطح فلزاتي از قبيل پلاتين، پالاديم، نيكل و ساير فلزات جذب مي شوند.

يك مثال، واكنش فوق، يعني تجزيه دي نيتروژن اكسيد ، اما اينبار با استفاده از يك كاتاليزور ناهمگن و استفاده از طلا است.

2N2O --> 2N2 + O2 (A u )

يكي از مثال هاي بارز و مهم استفاده از كاتاليزورهاي ناهمگن در مبدل هاي كاتاليزوري است.

مبدلهاي كاتاليزوري، كاتاليزورهايي هستند كه در اتومبيلها به كار مي‌روند. درواقع گازهاي خروجي از اگزوز ماشينهاي امروزي 95 تا 97 درصد تميزتر از ماشينهاي سابق هستند و اين امر مديون مبدلهاي كاتاليزوري مي‌باشد.

هم‌اكنون به جاي نشر گازهاي آلاينده و خطرناك مانند كربن مونوكسيد و اكسيدهاي نيتروژن NOx و ئيدروكربنهاي نسوخته، با استفاده از مبدلهاي كاتاليزوري، گازهاي بي‌خطر كربن‌دي اكسيد و بخار آب و نيتروژن وارد هواكره ميشوند.

مبدلهاي كاتاليزوري مثال خوبي از كاتاليزورهاي ناهمگن هستند. كاتاليزورهاي ناهمگن موادي هستند كه سرعت يك واكنش را افزايش مي‌دهند، اما اين مواد در همان فازي كه واكنش‌دهنده‌ها حضور دارند، قرار نگرفته‌اند. مثلا" واكنش‌دهنده‌ها مايع يا گاز هستند، اما كاتاليزور افزايش دهنده سرعت، يك جامد مي‌باشد.

در مورد يك مبدل كاتاليزوري، كاتاليزور يك لايه نازك از فلزي واكنش‌پذير روي يك پايه سراميكي است و واكنش‌دهنده‌ها، گازهاي خروجي هستند. وقتي گازهاي خروجي وارد يك مبدل كاتاليزوري مي‌شوند، مولكولهاي گاز از منافذ بسيار ريزي از كاتاليزورهاي پلاتين، پالاديم يا رويم كه روي پايه سراميكي تعبيه شده است، عبور مي‌كنند.

كاتاليزور فلزي بسيار گران است، اما از آنجا كه عمل كاتاليزور تنها در سطح آن انجام مي‌شود، فقط يك لايه نازك از فلز كافي است. ساختار متخلخل يا پر از سوراخ كاتاليزور نيز براي افزايش سطح واكنش‌پذيري كاتاليزور كه دودها روي آن واكنش انجام مي‌دهند، مي‌باشد. اگرچه مكانيسم عمل به خوبي شناخته نشده است، اما به احتمال زياد كاتاليزور پيوندهاي گازهاي واكنش‌دهنده را ضعيف مي‌كند و در تشكيل محصول روي سطح خود شركت مي‌نمايد.

امروزه بيشتر ماشينها از مبدلهاي كاتاليزوري سه مرحله‌اي يا سه كاره استفاده مي‌كنند. در اولين مرحله، يك كاتاليزور احيا (معمولا" روديم /پلاتين) اكسيدهاي نيتروژن را به نيتروژن و اكسيژن تبديل مي‌كند:

واكنشهاي كاتاليزور احيا

2NO <-> N2 + O2

2NO2 <-> N2 + 2O2

در مرحله دوم و سوم، كربن مونوكسيدها و ئيدروكربنهاي نسوخته اكسيد مي‌شوند. در اين مرحله گاز خروجي از مرحله اول، از روي كاتاليزورهايي مانند پلاتين و پالاديم، به تنهايي يا هر دو با هم، عبور مي‌كنند و در طي آن كربن مونوكسيد و ئيدروكربنهاي اضافي سوخته نشده با اكسيژن حاصل از مرحله اول، اكسيد مي‌شوند. محصول اين واكنشها، كربن دي‌اكسيد و بخار آب مي‌باشد. واكنشهاي اكسيد به قرار زير است:

2CO + O2 <-> 2CO2

C5H12 + 8O2 <-> 5CO2 + 6H2O

در مثال بالا، C5H12 نمونه‌اي از يك ئيدروكربن نسوخته مي‌باشد.

راه اندازي فروشگاه در Eforosh رايگان است

پشتیبانی