Devido ao rápido crescimento da indústria, as reações catalíticas estão se tornando cada vez mais demandadas na produção química, engenharia mecânica e metalurgia. Graças ao uso de catalisadores, é possível transformar matérias-primas de baixa qualidade em um produto valioso.
Significância
As reações catalíticas são diferenciadas pela variedade de agentes utilizados. Na síntese orgânica, eles contribuem para uma aceleração significativa da desidrogenação, hidrogenação, hidratação, oxidação e polimerização. O catalisador pode ser considerado uma "pedra filosofal" que transforma matérias-primas em produtos acabados: fibras, medicamentos, produtos químicos, fertilizantes, combustíveis, plásticos.
As reações catalíticas permitem obter inúmeros produtos, sem os quais a vida normal e a atividade humana são impossíveis.
Catalysis permite acelerar processos emmilhares e milhões de vezes, e é por isso que atualmente é usado em 91% de várias indústrias químicas.
Fatos interessantes
Muitos processos industriais modernos, como a síntese de ácido sulfúrico, só podem ser realizados usando um catalisador. Uma ampla variedade de agentes catalíticos garante a criação de óleos de motor para a indústria automotiva. Em 1900, pela primeira vez em escala industrial, foi realizada uma síntese catalítica de margarina a partir de matérias-primas vegetais (por hidrogenação).
Desde 1920, foi desenvolvido um mecanismo para reações catalíticas na produção de fibras e plásticos. Um evento marcante foi a produção catalítica de ésteres, olefinas, ácidos carboxílicos, bem como outros materiais de partida para a fabricação de compostos poliméricos.
Refinação de petróleo
Desde meados do século passado, reações catalíticas têm sido utilizadas no refino de petróleo. O processamento deste valioso recurso natural envolve vários processos catalíticos ao mesmo tempo:
- reforming;
- rachadura;
- hidrosulfonação;
- polimerização;
- hidrocraqueamento;
- alquilação.
Desde o final do século passado, foi possível desenvolver um conversor catalítico para reduzir as emissões de gases de escape para a atmosfera.
Vários Prêmios Nobel foram concedidos por trabalhos em catálise e áreas afins.
Relevância prática
Uma reação catalítica é qualquer processo que envolva o uso de aceleradores (catalisadores). Para avaliar o significado prático de tais interações, pode-se citar como exemplo as reações associadas ao nitrogênio e seus compostos. Como essa quantidade é muito limitada na natureza, a criação de proteína alimentar sem o uso de amônia sintética é muito problemática. O problema foi resolvido com o desenvolvimento do processo catalítico Haber-Bosch. O uso de catalisadores está em constante expansão, o que possibilita aumentar a eficiência de muitas tecnologias.
Produção de amônia
Vamos considerar algumas reações catalíticas. Exemplos de química inorgânica são dados com base nas indústrias mais comuns. A síntese de amônia é uma reação exotérmica e reversível, caracterizada por uma diminuição do volume da substância gasosa. O processo ocorre em um catalisador, que é ferro poroso com adição de óxido de alumínio, cálcio, potássio, silício. Tal catalisador é ativo e estável na faixa de temperatura de 650-830K.
Envia-lhe irreversivelmente compostos de enxofre, em particular o monóxido de carbono (CO). Nas últimas décadas, graças à introdução de tecnologias inovadoras, a pressão foi significativamente reduzida. Por exemplo, foi feito um conversor que permite baixar o indicador de pressão para 8106 - 15106 Pa.
A modernização do circuito frontal reduziu significativamente a probabilidade de encontrar venenos catalíticos nele - compostos de enxofre,cloro. Os requisitos para o catalisador também aumentaram significativamente. Se antes era produzido pela fusão de óxidos de ferro (escama), adicionando óxidos de magnésio e cálcio, agora o óxido de cob alto desempenha o papel de um novo ativador.
Oxidação da amônia
Quais são as características das reações catalíticas e não catalíticas? Exemplos de processos que dependem da adição de certas substâncias podem ser considerados com base na oxidação da amônia:
4NH3+ 5O2=4NO+ 6H2O.
Este processo é possível a uma temperatura de cerca de 800°C, assim como um catalisador seletivo. Para acelerar a interação, são utilizadas platina e suas ligas com manganês, ferro, cromo e cob alto. Atualmente, o principal catalisador industrial é uma mistura de platina com ródio e paládio. Essa abordagem permitiu reduzir significativamente o custo do processo.
Decomposição da água
Considerando as equações das reações catalíticas, não se pode ignorar a reação de obtenção de oxigênio gasoso e hidrogênio por eletrólise da água. O processo envolve custos de energia significativos, por isso é usado com pouca frequência em escala industrial.
Metal platina com um tamanho de partícula de cerca de 5-10 nm (nanoclusters) atua como um acelerador ideal para tal processo. A introdução de tal substância acelera a decomposição da água em 20-30 por cento. Outros benefícios incluem a estabilidade do catalisador de monóxido de carbono de platina.
Em 2010uma equipe de cientistas americanos recebeu um catalisador barato que reduz o consumo de energia para eletrólise da água. Eles se tornaram um composto de níquel e boro, cujo custo é significativamente menor que o da platina. O catalisador boro-níquel tem sido apreciado na produção de hidrogênio industrial.
Síntese de iodeto de alumínio
Obtenha este sal reagindo o pó de alumínio com iodo. Uma gota de água é suficiente para atuar como catalisador para iniciar uma reação química.
Primeiro, o filme de óxido de alumínio atua como um acelerador do processo. O iodo, dissolvendo-se em água, forma uma mistura de ácidos iodídrico e iódico. O ácido, por sua vez, dissolve o filme de óxido de alumínio, atuando como catalisador do processo químico.
Resumir
A cada ano, a escala de aplicação de processos catalíticos em diversas áreas da indústria moderna está aumentando. Catalisadores estão em demanda que permitem neutralizar substâncias que são perigosas para o meio ambiente. O papel dos compostos necessários para a fabricação de hidrocarbonetos sintéticos a partir de carvão e gás também está crescendo. Novas tecnologias ajudam a reduzir os custos de energia na produção industrial de diversas substâncias.
Graças à catálise é possível obter compostos poliméricos, produtos com propriedades valiosas, modernizar tecnologias de conversão de combustível em energia elétrica, sintetizar substâncias necessárias paravida e atividades humanas.
