Katalizatoriai chemijoje

Katalizatorius - tai medžiaga, kuri pagreitina cheminę reakciją, bet pati chemiškai nepakinta ir nėra sunaudojama reakcijoje. Tai unikalus medžiagos tipas, kuriai pavyksta sukelti chemines reakcijas, o pati ji niekada nebūna suvartojama. Katalizatoriai yra nuostabūs padėjėjai chemijos pasaulyje, leidžiantys cheminėms reakcijoms vykti greičiau ir su mažesnėmis energijos išlaidomis.

Katalizatoriai sutrumpina reakcijos laiką, gerina gamybos efektyvumą, selektyviai skatina teigiamas reakcijas ir slopina šalutines reakcijas. Jie taip pat leidžia reakcijoms vykti ramesnėmis sąlygomis, taip taupant laiką ir energiją. Be katalizatorių, kai kurios reakcijos gali vykti per lėtai arba netgi visiškai nevykti.

Kaip veikia katalizatoriai?

Katalizatorius keičia reakcijos greitį sumažindamas aktyvacijos energiją, būtiną reakcijai įvykti. Cheminės reakcijos yra skirtingų molekulių, atomų arba jonų sąveika, kai sutrikdomi ir vėl sudaromi ryšiai tarp molekulių.

Katalizatoriai tai padaro sujungdami sąveikaujančias molekules per mažus laikinus ryšius, siekdami sumažinti atstumą tarp jų. Tai padidina tikimybę, kad molekulės susitiks, susidurs ir lengvai pakeis savo vietą. Toks veikimas sukuria ekonomiškesnę ir efektyvesnę reakciją, leidžiančią gauti daugiau norimo produkto ir mažiau nepageidaujamų šalutinių produktų.

Katalizatorių tipai ir klasifikacija

Chemijoje egzistuoja daug skirtingų katalizatorių tipų, pasižyminčių įvairia chemine sudėtimi ir pritaikymu. Juos galima iš esmės suskirstyti į dvi pagrindines kategorijas: cheminius katalizatorius ir fizinius katalizatorius.

Cheminiai katalizatoriai yra medžiagos, kurios padidina cheminės reakcijos greitį suteikdamos alternatyvų reakcijos būdą. Katalizatorių veikimo principas pagrįstas aktyvacijos energijos sumažinimu.

Pagal poveikį reakcijos greičiui

• Teigiamieji katalizatoriai: didina reakcijos greitį.
• Neigiamieji katalizatoriai (inhibitoriai): mažina reakcijos greitį.

Katalizatoriaus dalyvavimas reakcijoje neatsispindi jos stechiometrinėje lygtyje. Tačiau reakcijos greitis yra tiesiogiai proporcingas katalizatoriaus kiekiui. Svarbu paminėti, kad katalizatorius neperstumia cheminės pusiausvyros. Jei reakcija grįžtamoji, katalizatorius vienodai keičia tiesiogine ir atgaline kryptimi vykstančios reakcijos greitį.

Pagal fazinę būseną

Pagal katalizuojamos sistemos fazinę būseną skiriama:

• Homogeninė katalizė: reaguojančių medžiagų ir katalizatoriaus fazės yra tokios pat (pvz., abi dujos arba abu tirpalo komponentai).
• Heterogeninė katalizė: reaguojančių medžiagų ir katalizatorių fazės yra skirtingos (pvz., reaguojančios medžiagos dujos ar tirpalas, o katalizatorius - kieta medžiaga).

Taip pat skiriama tarpfazinė katalizė, kai katalizė vyksta katalizatoriui pernešant vieną iš reaguojančių medžiagų iš vienos fazės į kitą, kurioje ji reaguoja su kita toje fazėje esančia medžiaga. Katalizė apibūdinama jos metu savaime vykstančiomis katalizinėmis reakcijomis, kurių greitis priklauso nuo katalizės pobūdžio ir katalizatoriaus veiksmingumo.

Kitos katalizatorių grupės

• Bimetalinis katalizatorius: sudarytas iš dviejų skirtingų metalų.
• Daugiafunkcinis katalizatorius: vienu metu katalizuoja skirtingas chemines reakcijas.
• Oksidinis katalizatorius: sudarytas iš metalų oksido ir oksido nešiklio.

Enzimai - gyvieji katalizatoriai

Ypatinga katalizatorių grupė - enzimai (arba fermentai), kurie veikia gyvuosiuose organizmuose. Enzimai yra vieni iš katalizatorių, kuriuos dažnai matome kasdieniniame gyvenime, pavyzdžiui, mūsų pačių kūne. Jie padeda virškinimo sistemai suskaidyti maistą, kurį valgome, kad jis pavirstų energija. Be šių enzimų mūsų kūnams būtų sunku suskaidyti maistą, todėl mes negalėtume gauti visos reikalingos energijos, kad galėtume bėgioti, žaisti ir mokytis.

Katalizatorių svarba ir pritaikymas

Katalizatoriai plačiai naudojami tiek pramonėje, tiek kasdieniame gyvenime. Jie leidžia chemines reakcijas vykti efektyviau ir veiksmingiau, sutaupant energijos ir medžiagų. Daugelis procesų truktų ilgiau ir sunaudotų daugiau energijos, jei nebūtų katalizatorių.

Panaudojimas pramonėje

Katalizatoriai žaidžia svarbų vaidmenį daugelyje pramonės šakų, nes beveik visi chemijos technologiniai procesai yra kataliziniai. Jie naudojami gaminant daugiau nei pusę visų pramoniniuose gamybos procesuose naudojamų medžiagų:

• Naftos pramonė: katalizatoriai naftos pramonėje konvertuoja neapdorotą naftą į dujas ir kitus degalus. Tai yra pagrindinis procesas, būtinas transporto priemonių veikimui.
• Polimerų gamyba: katalizatoriai naudojami polimerų gamyboje, iš kurių gaminamos plastmasės, drabužiai ir daug kitų kasdien naudojamų daiktų. Daugelio poliuretano gaminių gamyboje katalizatorius yra dažna pagalbinė medžiaga, kuri, nors ir naudojama nedideliais kiekiais, duoda puikų efektą.
• Farmacijos pramonė: farmacijos pramonėje katalizatoriai leidžia mokslininkams efektyviau kurti vaistus. Jie gali padėti kurti saugesnius ir mažiau toksiškus produktus, eliminuojant atliekas ir padarant gamybos procesą ekonomiškesnį. Tai leidžia mums turėti vaistus, kurie yra geresni tiek mūsų sveikatai, tiek aplinkai.
• Sieros ir azoto rūgščių bei amoniako gamyba, įvairių organinių junginių sintezė, polietileno, polipropileno ir kitų polimerinių medžiagų gamyba.

Katalizatorių panaudojimas poliuretano gamyboje

Poliuretano gamyboje katalizatorius yra svarbi pagalbinė medžiaga. Dažniausiai naudojami tretinio amino katalizatoriai (įskaitant jo ketvirtines amonio druskas) ir organiniai metaliniai junginiai.

Tretiniai aminų katalizatoriai

Jie skirstomi į alifatinius aminus, aliciklinius aminus, aromatinius aminus, alkoholio aminus ir jų amonio druskas.

• Alifatiniai aminai: N,N,N,N,N-pentametildietilentriaminas, N,N-dimetilcikloheksilaminas, bis(2-dimetilaminoetil)eteris, trietileno etildiaminas, trietilendiaminas, tetrametilheksametilendiaminas, tetrametilpropilendiaminas, N-, N-benzilaminas.
• Alicikliniai aminai: trietilendiaminas, N-etilmorfolinas, N-metilmorfolinas, N,N-dietilpiperazinas, N,N-dietil-2-metilpiperazinas, N-2-hidroksipropildimetilmorfolinas.
• Alkoholiamino junginiai: trietanolaminas, N,N-dimetiletanolaminas ir panašūs. Jie yra reaktyvių katalizatorių klasė, kurią galima naudoti kartu su kitais labai aktyviais katalizatoriais. Trietanolaminas taip pat yra formuotų putų kryžminimo medžiaga.

Poliuretano putose tretiniai aminai ir ketvirtinės amonio druskos paprastai naudojami kaip katalizatoriai. Be to, alavo oktoatas yra įprastas lanksčių poliuretano putų nepertraukiamo blokinio putojimo katalizatorius, kalio oksilatas dažniausiai naudojamas poliizocianuratu modifikuotose standžiose poliuretano putose, o organiniai alavo junginiai, tokie kaip dibutilalavo dilauratas, gali būti naudojami nedaug kietų, pusiau standžių ir aukšto elastingumo putų.

Įprasti kietųjų poliuretano putų aminų trikristalizacijos katalizatoriai yra 2,4,6-(dimetilaminometil)fenolis, DMP-30, TMR-2, POLYCAT 41 ir kt.

Panaudojimas gaminant poliuretano elastomerus

Gaminant poliuretano elastomerus, tokius kaip klijai, dangos, sandarikliai, vandeniui atsparios dangos ir grindinio medžiagos, dažniausiai naudojami metalo organiniai katalizatoriai, tokie kaip dibutilalavo dilauratas. Jis taip pat turi tam tikrą pagreitinimo poveikį vandens ir izocianato reakcijai formulėje, todėl plastikinio takelio formulėje gali būti naudojami specialūs katalizatoriai, tokie kaip organinis švinas. Tretiniai aminai, pasižymintys stipriomis gelio savybėmis (daugiausia skatinantys izocianato grupių ir hidroksilo grupių reakciją), pvz., trietilendiaminas, taip pat gali būti naudojami kai kuriose elastomerinėse poliuretano kompozicijose.

Įprasti didelio elastingumo putų formavimo katalizatoriai

Tradiciniai priedai, daugiausia naudojami lanksčių formų didelio elastingumo putų gamyboje, apima bis(dimetilaminoetil) eterį, trietilendiaminą, trietanolaminą, dietanolaminą, dimetiletanolaminą ir kt. Siekiant geresnio gamybos proceso ir greitesnio gamybos efektyvumo, buvo sukurta daug funkcinių uždelstų katalizatorių, kurie gali sutrumpinti išardymo laiką ir pagerinti gamybos efektyvumą, tuo pačiu atideliant ankstyvą melžimo laiką.

Šie dažniausiai naudojami reaktyvūs amino katalizatoriai yra: 2-(2-(2-dimetilaminoetoksi)-etilmetilamino)-etanolis, N,N,N;-trimetil-N-hidroksietil-diaminoetilo eteris, dimetilaminoetoksietanolis, bis(dimetilaminopropil)karbamidas, tetrametildipropilentriaminas, 1,3-bis[3-(dimetilamino))propil]karbamidas, trimetilhidroksipropiletilendiaminas, DPA, NP15, 3,3'-iminobis(N,N-dimetilpropilaminas), N,N-dimetil-N',N'-bis(2-hidroksipropil)-1,3-propandiaminas, N-(3-dimetilaminopropil)-N,N, diizopropanolaminas, bis(3-dimetilaminopropil)propil)aminoizopropanolis, bis-(3-dimetilpropilamino)aminas, N,N-dimetil-1,3-propandiaminas, N,N-dimetiletanolaminas ir kt. Šių silpno kvapo reaktyvių aminų katalizatorių naudojimas labai sumažina poliuretano putų produktų kvapą ir LOJ išgaravimą, todėl jie priklauso aplinkai nekenksmingiems poliuretano katalizatoriams.

Kasdieniame gyvenime ir aplinkosaugoje

Net jei kasdieniniame gyvenime tiesiogiai nematome katalizatorių, jie yra būtini daugeliui procesų. Pavyzdžiui, automobiliuose yra kataliziniai konverteriai (katalizatoriai), kurie paverčia kenksmingas chemines medžiagas iš išmetamųjų dujų į mažiau pavojingus produktus.

Automobilių katalizatoriai neutralizuoja anglies oksidus ir angliavandenilius, sumažina azoto oksidų kiekį. Jie vadinami trijų funkcijų katalizatoriais, nes jie valo išmetamąsias dujas nuo anglies oksidų, angliavandenilių ir kietųjų dalelių. Katalizatoriai taip pat skirstomi į oksidacinius ir redukcinius. Oksidaciniai katalizatoriai mažina angliavandenių kiekį, o redukciniai - azoto oksidų kiekį išmetamosiose dujose. Benzininiuose varikliuose dažniausiai naudojami trijų funkcijų katalizatoriai, kurie mažina azoto oksido kiekį ir oksiduoja angliavandenilius bei anglies oksidą.

Katalizatorių stabilumas ir selektyvumas

Katalizatorius pasižymi savituoju veikimu. Jis gali keisti vienos reakcijos greitį ir neturėti įtakos kitos reakcijos greičiui, t. y. katalizatoriui būdinga atrankumas (selektyvumas). Katalizatorius taip pat turi tam tikrą stabilumą, o jo fizikinės savybės, pavyzdžiui, dispersiškumas ar struktūra, gali keistis cheminės reakcijos metu. Medžiagos, kurios padidina katalizatoriaus aktyvumą ir atrankumą, vadinamos promotoriais. Nors cheminė sudėtis reakcijos metu nekinta, katalizatoriaus efektyvumas ir ilgaamžiškumas yra itin svarbūs jo veikimo kriterijai.

Kada keisti automobilio katalizatorių?

Vidutinė automobilio katalizatoriaus tarnavimo trukmė yra iki 100 000 kilometrų, tačiau tai gali skirtis priklausomai nuo naudojimo sąlygų. Signalai, kad katalizatorius gali sugesti ar yra užsikimšęs, apima:

• Netolygus automobilio važiavimas.
• Vėluojanti akseleratoriaus reakcija.
• Padidėjusios degalų sąnaudos.
• Variklio galios sumažėjimas.
• Neįprasti garsai iš išmetimo sistemos.
• Užsidegusi speciali įspėjamoji lemputė prietaisų skydelyje.

Pagrindinės priežastys, dėl kurių katalizatorius gali sugesti, yra mechaninis smūgis, didelis temperatūrų skirtumas (pvz., įvažiavus į gilią balą ant įkaitusio katalizatoriaus), variklio gedimai (pvz., praleidžiantys žiedus arba žvakes), ilgą laiką nekeičiamas oro filtras ar nekokybiškas kuras. Nekeistas laiku katalizatorius gali sukelti rimtų pasekmių: padidinti aplinkos taršą, lemti didesnes degalų sąnaudas, trukdyti automobiliui atitikti techninius reikalavimus ir netgi sugadinti kitas transporto priemonės dalis.

tags: #katalizatorius #chemija #9 #klasei