kataliz -Catalysis

Pelet formunda bir dizi endüstriyel katalizör
Oda sıcaklığında karbon monoksiti daha az toksik karbon dioksite dönüştürmek için düşük sıcaklıkta oksidasyon katalizörü kullanan bir hava filtresi . Formaldehiti havadan da çıkarabilir .

Kataliz ( / k ə t æ l ə s ɪ s / ) , katalizör olarak bilinen bir madde ( / ˈ k æ t əl ɪ s t / ) ekleyerek bir kimyasal reaksiyonun hızını artırma işlemidir . Katalizörler reaksiyonda tüketilmez ve sonrasında değişmeden kalırlar. Reaksiyon hızlıysa ve katalizör hızla geri dönüyorsa, genellikle çok az miktarda katalizör yeterlidir; karıştırma, yüzey alanı ve sıcaklık reaksiyon hızında önemli faktörlerdir. Katalizörler genellikle bir veya daha fazla reaktantla reaksiyona girerek ara ürünler oluşturur ve daha sonra katalizörü yenileme sürecinde nihai reaksiyon ürününü verir.

Kataliz , bileşenleri reaktan olarak aynı fazda (genellikle gaz veya sıvı) dağılmış olan homojen veya bileşenleri aynı fazda olmayan heterojen olarak sınıflandırılabilir . Enzimler ve diğer biyokatalizörler genellikle üçüncü bir kategori olarak kabul edilir.

Kataliz, her türlü kimya endüstrisinde her yerde bulunur . Tahminler, ticari olarak üretilen tüm kimyasal ürünlerin %90'ının üretim sürecinin bir aşamasında katalizörler içerdiği yönündedir.

"Katalizör" terimi, "gevşetmek" veya "çözmek" anlamına gelen Yunanca καταλύειν , kataluein'den türetilmiştir . Kataliz kavramı, kimyager Elizabeth Fulhame tarafından oksidasyon-indirgeme deneylerindeki yeni çalışmasına dayanarak icat edildi.

Genel İlkeler

Örnek

Açıklayıcı bir örnek, katalizörlerin hidrojen peroksitin su ve oksijene ayrışmasını hızlandırma etkisidir :

2 H 2 O 2 → 2 H 2 O + O 2

Bu reaksiyon devam eder, çünkü reaksiyon ürünleri başlangıç ​​bileşiğinden daha kararlıdır, ancak bu ayrışma o kadar yavaştır ki, hidrojen peroksit çözeltileri ticari olarak temin edilebilir. Manganez dioksit gibi bir katalizör varlığında bu reaksiyon çok daha hızlı ilerler. Bu etki , oksijenin köpürmesi ile kolayca görülür . Katalizör reaksiyonda tüketilmez ve değişmeden geri kazanılabilir ve süresiz olarak yeniden kullanılabilir. Buna göre, manganez dioksitin bu reaksiyonu katalize ettiği söylenmektedir . Canlı organizmalarda bu reaksiyon, katalaz gibi enzimler (katalizör görevi gören proteinler) tarafından katalize edilir .

Birimler

Bir katalizörün katalitik aktivitesini ölçmek için SI'dan türetilmiş birim , saniye başına mol olarak ölçülen katal'dır . Bir katalizörün üretkenliği, devir sayısı (veya TON) ile ve katalitik aktivite , zaman birimi başına TON olan devir frekansı (TOF) ile tanımlanabilir . Biyokimyasal eşdeğer enzim birimidir . Enzimatik katalizin etkinliği hakkında daha fazla bilgi için enzimler hakkındaki makaleye bakın .

Katalitik reaksiyon mekanizmaları

Genel olarak, kimyasal reaksiyonlar bir katalizör varlığında daha hızlı gerçekleşir çünkü katalizör, katalizlenmemiş mekanizmadan daha düşük aktivasyon enerjisine sahip alternatif bir reaksiyon mekanizması (reaksiyon yolu) sağlar. Katalizörlü mekanizmalarda, katalizör genellikle reaksiyona girerek bir ara ürün oluşturur ve bu da daha sonra süreçteki orijinal katalizörü yeniden üretir.

Gaz fazında basit bir örnek olarak, 2SO2 + O22SO3 reaksiyonu nitrik oksit eklenerek katalize edilebilir . Reaksiyon iki adımda gerçekleşir:

2  NO + O 2 → 2  NO 2 (hız belirleyici)
NO 2 + SO 2 → NO + SO 3 (hızlı)

NO katalizörü yeniden üretilir. Genel oran, yavaş adımın oranıdır.

v = 2k 1 [NO] 2 [O2 ] .

Heterojen katalizin bir örneği, su üretmek için oksijen ve hidrojenin titanyum dioksit (Ti02 veya titanya ) yüzeyinde reaksiyonudur . Taramalı tünelleme mikroskobu, moleküllerin adsorpsiyon ve ayrışmaya uğradığını gösterdi . Ayrışmış, yüzeye bağlı O ve H atomları birlikte dağılır . Ara reaksiyon durumları şunlardır: HO 2 , H 2 O 2 , ardından H 3 O 2 ve reaksiyon ürünü ( su molekülü dimerleri ), ardından su molekülü katalizör yüzeyinden desorbe olur .

Reaksiyon enerjisi

Bir katalizörün varsayımsal bir ekzotermik kimyasal reaksiyon X + Y'de Z'yi verme etkisini gösteren genel potansiyel enerji diyagramı. Katalizörün varlığı, daha düşük aktivasyon enerjisine sahip farklı bir reaksiyon yolu (kırmızı ile gösterilmiştir) açar. Nihai sonuç ve genel termodinamik aynıdır.

Katalizörler, katalizlenmemiş reaksiyonlardan farklı yollar sağlar. Bu yollar daha düşük aktivasyon enerjisine sahiptir . Sonuç olarak, daha fazla moleküler çarpışma, geçiş durumuna ulaşmak için gereken enerjiye sahiptir. Bu nedenle, katalizörler aksi takdirde kinetik bir bariyer tarafından bloke edilecek veya yavaşlatılacak reaksiyonları etkinleştirebilir. Katalizör, reaksiyon hızını veya seçiciliği artırabilir veya reaksiyonu daha düşük sıcaklıklarda sağlayabilir. Bu etki, bir enerji profili diyagramı ile gösterilebilir .

Katalizlenmiş temel reaksiyonlarda , katalizörler reaksiyonun kapsamını değiştirmezler: bir reaksiyonun kimyasal dengesi üzerinde hiçbir etkileri yoktur . İleri ve geri reaksiyon hızlarının oranı etkilenmez (ayrıca bkz. termodinamik ). Termodinamiğin ikinci yasası, bir katalizörün neden bir reaksiyonun kimyasal dengesini değiştirmediğini açıklar. Bir dengeyi değiştiren böyle bir katalizör olduğunu varsayalım. Katalizörün sisteme dahil edilmesi, enerji üreten yeni dengeye geçmek için bir reaksiyonla sonuçlanacaktır. Enerji üretimi gerekli bir sonuçtur çünkü reaksiyonlar ancak Gibbs serbest enerjisi üretilirse kendiliğinden gerçekleşir ve enerji bariyeri yoksa katalizöre gerek yoktur. Daha sonra, katalizörün çıkarılması da enerji üreten bir reaksiyonla sonuçlanacaktır; yani ekleme ve bunun tersi işlemi olan çıkarma, her ikisi de enerji üretecektir. Böylece, dengeyi değiştirebilecek bir katalizör , termodinamik yasalarına aykırı bir sürekli hareket makinesi olacaktır. Böylece katalizör denge sabitini değiştirmez . (Bununla birlikte, bir katalizör, sonraki bir adımda reaksiyona girerek denge konsantrasyonlarını değiştirebilir. Daha sonra reaksiyon ilerledikçe tüketilir ve bu nedenle aynı zamanda bir reaktandır. Örnek , üretilen karboksilik asidin hemen reaksiyona girdiği esterlerin baz katalizli hidrolizidir . baz katalizör ile ve böylece reaksiyon dengesi hidrolize doğru kaydırılır.)

Katalizör geçiş durumunu, başlangıç ​​malzemesini stabilize ettiğinden daha fazla stabilize eder. Başlangıç ​​malzemesi ile geçiş durumu arasındaki enerji farkını azaltarak kinetik bariyeri azaltır . Başlangıç ​​malzemeleri ve ürünler arasındaki enerji farkını (termodinamik bariyer) veya mevcut enerjiyi (bu çevre tarafından ısı veya ışık olarak sağlanır) değiştirmez .

Ilgili kavramlar

Bazı sözde katalizörler gerçekten ön katalizörlerdir . Prekatalizörler reaksiyonda katalizörlere dönüşür. Örneğin, Wilkinson'ın RhCl(PPh3 ) 3 katalizörü, gerçek katalitik döngüye girmeden önce bir trifenilfosfin ligandını kaybeder. Prekatalizörlerin saklanması daha kolaydır ancak yerinde kolayca etkinleştirilirler . Bu ön aktivasyon adımı nedeniyle, birçok katalitik reaksiyon bir indüksiyon periyodu içerir .

İşbirlikçi katalizde , katalitik aktiviteyi geliştiren kimyasal türlere yardımcı katalizörler veya promotörler denir .

Ardışık katalizde, iki veya daha fazla farklı katalizör tek pota reaksiyonunda birleştirilir.

Otokatalizde , katalizör, bu makalede ele alınan diğer tüm kataliz türlerinin aksine, genel reaksiyonun bir ürünüdür . En basit otokataliz örneği, bir veya birkaç adımda A + B → 2 B tipi bir reaksiyondur. Genel reaksiyon sadece A → B'dir, böylece B bir üründür. Ancak B aynı zamanda bir reaktan olduğundan, hız denkleminde bulunabilir ve reaksiyon hızını etkileyebilir. Reaksiyon ilerledikçe, B konsantrasyonu artar ve bir katalizör olarak reaksiyonu hızlandırabilir. Gerçekte, reaksiyon kendi kendini hızlandırır veya otokatalize edilir. Bir örnek, aspirin gibi bir esterin bir karboksilik asit ve bir alkole hidrolizidir . Eklenen asit katalizörlerin yokluğunda, karboksilik asit ürünü hidrolizi katalize eder.

Gerçek bir katalizör, fedakar bir katalizörle birlikte çalışabilir . Gerçek katalizör, temel reaksiyonda tüketilir ve etkisiz hale getirilir. Kurbanlık katalizör, başka bir döngü için gerçek katalizörü yeniden üretir. Kurbanlık katalizör reaksiyonda tüketilir ve bu haliyle gerçekten bir katalizör değil, bir reaktiftir. Örneğin, osmiyum tetroksit (OsO 4 ) dihidroksilasyon için iyi bir reaktiftir, ancak oldukça toksik ve pahalıdır. Upjohn dihidroksilasyonda kurbanlık katalizör N-metilmorfolin N-oksit (NMMO) Os04'ü yeniden oluşturur ve yalnızca katalitik miktarlarda Os04 gerekir .

sınıflandırma

Kataliz, homojen veya heterojen olarak sınıflandırılabilir . Homojen bir kataliz, bileşenlerinin reaktan molekülleri ile aynı fazda (genellikle gaz veya sıvı) dağıldığı katalizdir . Heterojen bir kataliz , reaksiyon bileşenlerinin aynı fazda olmadığı bir katalizdir. Enzimler ve diğer biyokatalizörler genellikle üçüncü bir kategori olarak kabul edilir. Benzer mekanik prensipler heterojen, homojen ve biyokataliz için geçerlidir.

heterojen kataliz

Zeolit ​​ZSM-5'in mikro gözenekli moleküler yapısı, rafinerilerde kullanılan katalizörlerde kullanılır.
Zeolitler, katalitik reaktörlerde kolay kullanım için peletler halinde ekstrüde edilir.

Heterojen katalizörler, reaktanlardan farklı bir fazda hareket eder . Heterojen katalizörlerin çoğu, sıvı veya gaz halindeki bir reaksiyon karışımındaki substratlar üzerinde etkili olan katılardır . Önemli heterojen katalizörler arasında zeolitler , alümina , yüksek dereceli oksitler, grafit karbon, geçiş metali oksitler, hidrojenasyon için Raney nikeli gibi metaller ve temas işlemiyle kükürt dioksitin kükürt trioksite oksidasyonu için vanadyum ( V ) oksit bulunur .

Adsorpsiyonun nasıl gerçekleştiğine bağlı olarak yüzeyler üzerindeki reaksiyonlar için çeşitli mekanizmalar bilinmektedir ( Langmuir-Hinshelwood , Eley-Rideal ve Marsvan Krevelen ). Bir katının toplam yüzey alanı, reaksiyon hızı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Katalizör parçacık boyutu ne kadar küçük olursa, belirli bir parçacık kütlesi için yüzey alanı o kadar büyük olur.

Heterojen bir katalizör , reaksiyonun gerçekten meydana geldiği atomlar veya kristal yüzler olan aktif bölgelere sahiptir. Mekanizmaya bağlı olarak, aktif bölge ya düzlemsel bir metal yüzey, kusurlu metal değerlikli bir kristal kenar ya da ikisinin karmaşık bir kombinasyonu olabilir. Bu nedenle, heterojen bir katalizörün yalnızca hacminin çoğu değil, aynı zamanda yüzeyinin çoğu da katalitik olarak aktif olmayabilir. Aktif sitenin doğasını bulmak, teknik olarak zorlu bir araştırma gerektirir. Bu nedenle, kataliz için yeni metal kombinasyonları bulmaya yönelik ampirik araştırmalar devam etmektedir.

Örneğin, Haber prosesinde ince taneli demir , nitrojen ve hidrojenden amonyağın sentezi için bir katalizör görevi görür . Reaksiyona giren gazlar, demir parçacıkları üzerindeki aktif bölgelere adsorbe olur . Fiziksel olarak adsorbe edildikten sonra reaktifler, adsorbe edilmiş atomik türlere ayrışmayla sonuçlanan kimyasal adsorpsiyona uğrar ve ortaya çıkan fragmanlar arasında yakınlıkları nedeniyle kısmen yeni bağlar oluşur. Bu şekilde , yüksek aktivasyon enerjisinden dolayı gaz fazında son derece nadir görülen nitrojendeki özellikle güçlü üçlü bağ kırılır. Böylece, genel reaksiyonun aktivasyon enerjisi düşürülür ve reaksiyon hızı artar. Heterojen bir katalizörün uygulandığı başka bir yer , sülfürik asit üretimi için kükürt dioksitin vanadyum (V) oksit üzerinde oksidasyonudur .

Heterojen katalizörler tipik olarak " desteklenir ", bu da katalizörün etkinliği artıran veya maliyetini en aza indiren ikinci bir malzeme üzerinde dağıtıldığı anlamına gelir. Destekler, daha fazla yüzey alanı açığa çıkararak küçük katalizör parçacıklarının topaklanmasını ve sinterlenmesini önler veya en aza indirir, böylece katalizörler destek üzerinde daha yüksek bir spesifik aktiviteye (gram başına) sahiptir. Bazen destek, yüzey alanını artırmak için üzerine katalizörün yayıldığı bir yüzeydir. Daha sıklıkla, destek ve katalizör etkileşime girerek katalitik reaksiyonu etkiler. Destekler, ayrı ayrı katalizör moleküllerinin kimyasal olarak bağlanması için yerler sağlayarak nanoparçacık sentezinde de kullanılabilir. Destekler, en yaygın olarak alümina , zeolitler veya çeşitli aktif karbon türleri olmak üzere yüksek yüzey alanına sahip gözenekli malzemelerdir . Özel destekler arasında silikon dioksit , titanyum dioksit , kalsiyum karbonat ve baryum sülfat bulunur .

Bulamaç reaksiyonlarında, heterojen katalizörler çözülerek kaybolabilir.

Birçok heterojen katalizör aslında nanomalzemelerdir. Enzimi taklit eden aktivitelere sahip nanomateryal bazlı katalizörler toplu olarak nanozimler olarak adlandırılır .

elektrokatalizörler

Elektrokimya bağlamında , özellikle yakıt hücresi mühendisliğinde, yakıt hücresini oluşturan yarı reaksiyonların hızlarını arttırmak için çeşitli metal içeren katalizörler kullanılır . Yaygın bir yakıt hücresi elektrokatalizör tipi , biraz daha büyük karbon parçacıkları üzerinde desteklenen platin nanoparçacıklarına dayanır . Bir yakıt hücresindeki elektrotlardan biriyle temas ettiğinde , bu platin, oksijenin suya veya hidroksite veya hidrojen perokside indirgenme oranını arttırır .

homojen kataliz

Homojen katalizörler, reaktanlarla aynı fazda işlev görür. Tipik olarak homojen katalizörler, substratlarla birlikte bir çözücü içinde çözülür. Homojen katalizin bir örneği, H +' nın asetik asit ve metanolden metil asetat oluşumu gibi karboksilik asitlerin esterleşmesi üzerindeki etkisini içerir . Homojen bir katalizör gerektiren yüksek hacimli işlemler arasında hidroformilasyon , hidrosililasyon , hidrosiyanasyon yer alır . İnorganik kimyagerler için homojen kataliz genellikle organometalik katalizörlerle eşanlamlıdır . Bununla birlikte, birçok homojen katalizör, p-ksilenin tereftalik aside oksidasyonunu katalize eden kobalt tuzlarının kullanılmasıyla gösterilen organometalik değildir .

organokataliz

Kataliz çalışmasında bazen geçiş metalleri en çok ilgiyi çekerken, metal içermeyen küçük organik moleküller de katalitik özellikler sergileyebilirler, bu da birçok enzimin geçiş metallerinden yoksun olduğu gerçeğinden de anlaşılacağı gibi . Tipik olarak, organik katalizörler, geçiş metali (-iyon) bazlı katalizörlerden daha yüksek bir yükleme (tepkenin birim miktarı başına katalizör miktarı, maddenin % mol miktarı olarak ifade edilir ) gerektirir, ancak bu katalizörler genellikle ticari olarak toplu halde bulunur ve bu da maliyetler. 2000'lerin başında, bu organokatalizörler "yeni nesil" olarak kabul edildi ve geleneksel metal (-iyon) içeren katalizörlerle rekabet halindeydi. Organokatalizörlerin, örneğin hidrojen bağı gibi kovalent olmayan etkileşimleri kullanan metalsiz enzimlere benzer şekilde çalışması beklenir . Organokataliz disiplini , sırasıyla tercih edilen katalizör- substrat bağlanmasına ve etkileşimine atıfta bulunarak kovalent (örn., prolin , DMAP ) ve kovalent olmayan (örn., tiyoüre organokataliz ) organokatalizörlerin uygulanmasına bölünmüştür . 2021 Nobel Kimya Ödülü, "asimetrik organokatalizi geliştirdikleri için" Benjamin List ve David WC MacMillan'a ortaklaşa verildi.

fotokatalizörler

Fotokataliz, katalizörün redoks reaksiyonlarını etkileyen uyarılmış bir durum oluşturmak için ışık alabildiği olgudur . Singlet oksijen genellikle fotokataliz ile üretilir. Fotokatalizörler, boya duyarlı güneş pillerinin bileşenleridir .

Enzimler ve biyokatalizörler

Biyolojide enzimler , metabolizma ve katabolizmada protein bazlı katalizörlerdir . Çoğu biyokatalizör enzimdir, ancak diğer protein bazlı olmayan biyomolekül sınıfları da ribozimler ve sentetik deoksiribozimler dahil olmak üzere katalitik özellikler gösterir .

Biyokatalizörler, homojen ve heterojen katalizörler arasında bir ara ürün olarak düşünülebilir, ancak tam anlamıyla çözünür enzimler homojen katalizörler ve zara bağlı enzimler heterojendir. Sıcaklık, pH, enzimlerin konsantrasyonu, substrat ve ürünler dahil olmak üzere enzimlerin (ve diğer katalizörlerin) aktivitesini birkaç faktör etkiler. Enzimatik reaksiyonlarda özellikle önemli bir reaktif, birçok bağ oluşturma reaksiyonunun ürünü ve birçok bağ kırma işleminde bir reaktan olan sudur.

Biyokatalizde enzimler, yüksek fruktozlu mısır şurubu ve akrilamid dahil olmak üzere birçok ticari kimyasalı hazırlamak için kullanılır .

Bağlanma hedefi bir kimyasal reaksiyonun geçiş durumuna benzeyen kararlı bir molekül olan bazı monoklonal antikorlar , aktivasyon enerjisini düşürerek o kimyasal reaksiyon için zayıf katalizörler olarak işlev görebilir. Bu tür katalitik antikorlara bazen " abzimler " denir .

önemi

Sol: Kısmen karamelize edilmiş küp şeker , Sağ: Küp şekeri katalizör olarak külle yakmak
Bir Ti-Cr-Pt tüpü (~40 μm uzunluğunda), hidrojen perokside daldırıldığında (katalitik ayrışma yoluyla) oksijen kabarcıkları salar ve bir mikro pompa oluşturur .

Tahminler, ticari olarak üretilen tüm kimyasal ürünlerin %90'ının üretim sürecinin bir aşamasında katalizörler içerdiği yönündedir. 2005 yılında, katalitik süreçler dünya çapında yaklaşık 900 milyar dolarlık ürün üretti. 2014 yılında katalizörlere yönelik küresel talebin 33,5 milyar ABD doları olduğu tahmin ediliyor. Kataliz o kadar yaygındır ki, alt alanlar kolaylıkla sınıflandırılamaz. Belirli konsantrasyona sahip bazı alanlar aşağıda incelenmektedir.

Enerji işleme

Petrol arıtma, alkilasyon , katalitik kraking (uzun zincirli hidrokarbonları daha küçük parçalara ayırma), nafta reformasyonu ve buhar reformingi ( hidrokarbonların sentez gazına dönüştürülmesi ) için katalizi yoğun bir şekilde kullanır . Fosil yakıtların yakılmasından kaynaklanan egzoz bile kataliz yoluyla işlenir: Tipik olarak platin ve rodyumdan oluşan katalitik konvertörler , otomobil egzozunun daha zararlı yan ürünlerinden bazılarını parçalar.

2 CO + 2 NO → 2 CO 2 + N 2

Sentetik yakıtlarla ilgili olarak, eski ama yine de önemli bir süreç, demir tarafından katalize edilen su-gaz kaydırma reaksiyonları yoluyla işlenen sentez gazından hidrokarbonların Fischer-Tropsch sentezidir . Biyodizel ve ilgili biyoyakıtlar, hem inorganik hem de biyokatalizörler aracılığıyla işlenmeyi gerektirir.

Yakıt hücreleri, hem anodik hem de katodik reaksiyonlar için katalizörlere güvenir.

Katalitik ısıtıcılar, yanıcı bir yakıt kaynağından alevsiz ısı üretir.

Dökme kimyasallar

Sülfür dioksiti kükürt trioksite dönüştürmek için bir ara reaksiyon için sülfürik asit üretiminde kullanılan tipik vanadyum pentoksit katalizörü.
Sülfür dioksiti kükürt trioksite dönüştürmek için bir ara reaksiyon için sülfürik asit üretiminde kullanılan tipik vanadyum pentoksit katalizörü.

En büyük ölçekli kimyasallardan bazıları, genellikle oksijen kullanılarak katalitik oksidasyon yoluyla üretilir . Örnekler arasında nitrik asit (amonyaktan), sülfürik asit ( temas işlemiyle kükürt dioksitten kükürt trioksite ), p -ksilenden tereftalik asit , propilen veya propandan akrilik asit ve propan ve amonyaktan akrilonitril sayılabilir.

Amonyak üretimi, en büyük ölçekli ve en enerji yoğun süreçlerden biridir. Haber prosesinde nitrojen , bir demir oksit katalizörü üzerinde hidrojen ile birleştirilir. Metanol , karbon monoksit veya karbon dioksitten ancak bakır-çinko katalizörleri kullanılarak hazırlanır .

Etilen ve propilenden türetilen yığın polimerler genellikle Ziegler-Natta kataliziyle hazırlanır . Polyesterler, poliamidler ve izosiyanatlar asit-baz kataliziyle elde edilir .

Çoğu karbonilasyon işlemi metal katalizörler gerektirir, örnekler arasında Monsanto asetik asit işlemi ve hidroformilasyon yer alır .

İnce kimyasallar

Pek çok ince kimyasal, kataliz yoluyla hazırlanır; yöntemler, ağır sanayininkileri ve büyük ölçekte engelleyici derecede pahalı olacak daha özel süreçleri içerir. Örnekler arasında Heck reaksiyonu ve Friedel-Crafts reaksiyonları bulunur . Biyoaktif bileşiklerin çoğu kiral olduğundan , birçok ilaç enantiyoselektif kataliz (katalitik asimetrik sentez ) ile üretilir . Antibakteriyel levofloksasinin öncüsü olan (R)-1,2-Propandiol, Noyori asimetrik hidrojenasyonda BINAP -rutenyum komplekslerine dayalı katalizörler kullanılarak hidroksiasetondan verimli bir şekilde sentezlenebilir :

levofloksaxin sentezi

Gıda işleme

Katalizin en belirgin uygulamalarından biri, margarin üretmek için nikel katalizör kullanılarak yağların hidrojenasyonudur ( hidrojen gazıyla reaksiyon ) . Diğer birçok gıda maddesi biyokataliz yoluyla hazırlanır (aşağıya bakınız).

Çevre

Kataliz, endüstriyel süreçlerin verimliliğini artırarak çevreyi etkiler, ancak kataliz ayrıca çevrede doğrudan bir rol oynar. Dikkate değer bir örnek, klorin serbest radikallerinin ozonun parçalanmasındaki katalitik rolüdür . Bu radikaller, ultraviyole radyasyonun kloroflorokarbonlar (CFC'ler) üzerindeki etkisiyle oluşur .

Cl · + O 3 → ClO · + O 2
ClO · + O · → Cl · + O 2

Tarih

Geniş anlamda bir sürecin hızını artıran herhangi bir şey olarak tanımlanan "katalizör" terimi, "iptal etmek" veya "çözmek" veya "toplamak" anlamına gelen Yunanca καταλύειν'dan türetilmiştir. Kataliz kavramı, kimyager Elizabeth Fulhame tarafından icat edildi ve oksidasyon-indirgenme reaksiyonlarındaki yeni çalışmasına dayanarak 1794 tarihli bir kitapta tanımlandı. Organik kimyada bilerek bir katalizör kullanan ilk kimyasal reaksiyon, 1811'de nişastanın asitle katalizlenen glikoza dönüşümünü keşfeden Gottlieb Kirchhoff tarafından incelenmiştir. Kataliz terimi daha sonra 1835'te Jöns Jakob Berzelius tarafından reaksiyondan sonra değişmeden kalan maddeler tarafından hızlandırılan reaksiyonları tanımlamak için kullanıldı . Berzelius'tan önce gelen Fulhame , indirgeme deneylerinde metal yerine suyla çalıştı. Katalizde çalışan diğer 18. yüzyıl kimyagerleri, bundan temas süreçleri olarak bahseden Eilhard Mitscherlich ve temas eyleminden bahseden Johann Wolfgang Döbereiner idi. 1820'lerde ticari bir başarıya dönüşen ve bugün hala yaşayan, hidrojen ve platin süngere dayalı bir çakmak olan Döbereiner'in lambasını geliştirdi . Humphry Davy, katalizde platin kullanımını keşfetti. 1880'lerde Leipzig Üniversitesi'nden Wilhelm Ostwald , asit ve bazların varlığıyla katalize edilen reaksiyonlar üzerine sistematik bir araştırma başlattı ve kimyasal reaksiyonların sonlu hızlarda meydana geldiğini ve bu oranların asitlerin ve bazların kuvvetlerini belirlemek için kullanılabileceğini buldu. . Bu çalışma için Ostwald, 1909 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü . Vladimir Ipatieff , oligomerizasyonun keşfi ve ticarileştirilmesi ve hidrojenasyon için katalizörlerin geliştirilmesi dahil olmak üzere en eski endüstriyel ölçekli reaksiyonların bazılarını gerçekleştirdi.

İnhibitörler, zehirler ve promotörler

Hızı düşüren eklenen bir maddeye geri dönüşümlü ise reaksiyon inhibitörü , geri dönüşümsüzse katalizör zehirleri denir. Promotörler, kendi başlarına katalizör olmamalarına rağmen katalitik aktiviteyi artıran maddelerdir.

İnhibitörler, reaksiyon hızını düşürdükleri için bazen "negatif katalizörler" olarak adlandırılır. Ancak inhibitör terimi, daha yüksek aktivasyon enerjisine sahip bir reaksiyon yolu sunarak çalışmadıkları için tercih edilir; reaksiyon, katalizlenmemiş yolla meydana gelmeye devam edeceğinden, bu hızı düşürmez. Bunun yerine, ya katalizörleri devre dışı bırakarak ya da serbest radikaller gibi reaksiyon ara maddelerini uzaklaştırarak etki ederler. Heterojen katalizde koklaşma , polimerik yan ürünlerle kaplanan katalizörü inhibe eder .

İnhibitör, hıza ek olarak seçiciliği değiştirebilir. Örneğin, alkinlerin alkenlere hidrojenasyonunda , kurşun(II) asetat ( Pb(CH3CO2 ) 2 ) ile kısmen "zehirlenmiş" bir paladyum (Pd) katalizörü kullanılabilir. Katalizörün deaktivasyonu olmadan, üretilen alken ayrıca alkan'a hidrojenlenir .

İnhibitör bu etkiyi, örneğin sadece belirli aktif bölge tiplerini seçici olarak zehirleyerek üretebilir. Diğer bir mekanizma, yüzey geometrisinin modifikasyonudur. Örneğin, hidrojenasyon işlemlerinde, büyük metal yüzey düzlemleri, hidrojenoliz kataliz yerleri olarak işlev görürken, doymamış maddelerin hidrojenasyonunu katalize eden yerler daha küçüktür. Bu nedenle, yüzeyi rastgele kaplayan bir zehir, kirlenmemiş büyük düzlemlerin sayısını düşürme eğiliminde olacak, ancak orantılı olarak daha küçük alanları serbest bırakacak ve böylece hidrojenasyona karşı hidrojenoliz seçiciliğini değiştirecektir. Diğer birçok mekanizma da mümkündür.

Promotörler, bir kok matı üretimini önlemek için yüzeyi kaplayabilir veya hatta bu tür materyali (örneğin, platform oluşturmada platin üzerinde renyum ) aktif olarak kaldırabilir. Katalitik malzemenin dağılmasına yardımcı olabilir veya reaktiflere bağlanabilirler.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  • IUPAC , Kimyasal Terminoloji Özeti , 2. baskı. ("Altın Kitap") (1997). Çevrimiçi düzeltilmiş sürüm: (2006–) " katalizör ". doi : 10.1351/goldbook.C00876

Dış bağlantılar