С помощью катализа осуществляют гидрогенизацию ненасыщенных химических соединений. Так, обрабатывая окись углерода водородом в присутствии цинк-хромовых катализаторов при 400° С и давлении около 300 атм, получают метанол, широко используемый в качестве растворителя исходного продукта для производства других ценных веществ:
СО + 2Н2↔ZnО CH3OH.
В частности, окисляя его на серебряном или медном катализаторе, можно получить формальдегид - не менее важное вещество, в больших количествах потребляемое для синтеза пластических масс:
2СН3ОН + O2↔Cu 2HCHO + 2H2O.
В результате обработки растительных масел водородом в присутствии никелевых катализаторов образую твердые жиры (в частности, маргарин). Катализ применяется для ускорения процессов гидролиза многоатомных органических соединений, главным образом растительных углеводсодержащих соединений. Здесь катализаторами служат минеральные кислоты. При обработке кислотой растительного сырья (древесные от- ходы, подсолнечная лузга, солома и т. п.) происходит расщепление полисахаридных цепей (целлюлозы, пентозанов) с образованием пищевых и кормовых продуктов, глюкозы, ксилозы, фурфурола и целого ряда других кислородсодержащих производных. При совмещении процессов кислотного гидролиза и каталитической гидрогенизации (так называемого гидрогенолиза), проводимых в более жестких условиях ( 200° С, 50 атм), получают продукты глубокого расщепления молекулярных цепей глицерин, этиленгликоль, пропиленгликоль. Эти вещества используются в производстве взрывчатых веществ, глифталевых смол, а также пластификаторов и растворителей.
Нельзя обойти молчанием производство полимеров и синтетических волокон. Здесь гордостью отечественной науки является разработанный С. В. Лебедевым (1932) процесс получения синтетического каучука по схеме: этиловый спирт - бутадиен - полибутадиен. Каталитические реакции в этом процессе осуществляются на первой стадии - дегидрогенизации и одновременной дегидратации этилового спирта. Сейчас бутадиен и изопрен получают также путем дегидрогенизации углеводородов нормального строения на алюмохромовых катализаторах, в частности из бутана. Это позволило вовлечь в производство синтетического каучука природные ресурсы газа и газы, отходящие при переработке нефти.
Большим событием в производстве полимеров явилось открытие стереоспецифической полимеризации ненасыщенных соединений в присутствии смешанных катализаторов Циглера - Натта (1952). Примером этого типа катализаторов может служить смесь триэтилалюминия и четыреххлористого титана. Применение этих катализаторов дало возможность получать макромолекулы с определенной пространственной конфигурацией мономерных звеньев. Изделия из таких полимеров обладают прекрасными эксплуатационными свойствами. Заслуживает упоминания разработанная Мортоном (1947) исключительно активная каталитическая система, известная под кодовым названием «альфин» и представляющая собой смесь аллилнатрия, изопропилата натрия и хлорида натрия. В присутствии альфина бутадиен за несколько минут полимеризуется с образованием цепей, содержащих десятки и сотни тысяч мономерных звеньев.
Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. Нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Человек уже начинает ощущать отрицательные стороны своей бурной и во многом бесконтрольной деятельности. Химики-каталитики настойчиво работают над этой проблемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами; работают эти фильтры при 250-350° С. [1]
За последние двадцать лет появилось большое число публикаций, посвященных использованию мембран в катализе. Традиционно мембраны классифицируют по их роли в процессе на распределяющие (distributirors), выделяющие (extractors) и контактные (contactors) . Именно селективные распределяющие и/или выделяющие мембраны чаще всего имеют в виду, когда употребляют этот термин. В многофазных процессах значительное улучшение производительности может быть достигнуто при использовании как раз неселективных проницаемых мембран (контакторов). Развитая пористая структура этих мембран обеспечивает увеличение удельной поверхности раздела фаз газ-жидкость и интенсификацию межфазного массопереноса внутри пористой структуры мембраны. При этом каталитически активный компонент вводят внутрь объёма пор либо в состав самой мембраны. Особое преимущество контактные мембраны дают в случаях, когда реагенты имеют различное агрегатное состояние, например, в процессе гидрирования нитрат-анионов в водных растворах (обеспечивается транспорт газообразного водорода к водному раствору) или при гидрировании олефинов (капиллярное впитывание обеспечивает транспорт жидкого олефина в реакционную зону). В последнем случае использование контактных мембран позволяет увеличить производительность в 2-3 раза по сравнению с реакторами с орошаемым слоем катализатора, а преимущество мембранного реактора по сравнению с суспендированным слоем катализатора составляет порядок величины.
Проницаемые каталитически активные при использовании их как контактные мембраны в
трехфазных каталитических процессах при получении моторных топлив и ценных химических продуктов из синтез-газа. [8]
Заключение
Скорость процесса - чрезвычайно важный фактор, определяющий производительность оборудования химических производств. Поэтому одна из основных задач, поставленных перед химией научно-технической революцией, это поиск путей увеличения скорости реакций. Другая важная задача современной химии, обусловленная резко возрастающими масштабами производства химических продуктов, - повышение избирательности химических превращений в полезные продукты, уменьшение количества выбросов и отходов.
Проведя всесторонний анализ вышеизложенного материала, можно сделать следующие выводы: нас окружает огромное число химических реакций и соединений, без изучения средств управления которыми невозможны ни дальнейшее развитие химии как науки, ни во многом зависящего от нее научно-технического прогресса. Все многообразие описанных средств полезного воздействия на химические процессы имеет свои достоинства и недостатки. На мой взгляд, одним из наиболее рациональных способов повышения эффективности управления химическими реакциями является катализ. В промышленности органического синтеза объем химической продукции, производимой с помощью катализаторов, приближается к 90%. Это дает возможность решать с помощью использования каталитических реакций ключевые проблемы повышения экономической эффективности химических производств, позволяет находить новые, более простые и безопасные, пути синтеза необходимых химических продуктов, без которых сейчас уже невозможна наша жизнь. Немаловажным фактором, говорящим в пользу каталитических реакций, является экономия затрат сырья при использовании катализаторов, так каталитическая реакция позволяет направить процесс получения конечных продуктов по наиболее короткому пути, минуя стадии образования продуктов распада. Не следует забывать и о том, что применение реакций катализа позволяет повысить безопасность производства химических веществ и существенно снизить риск загрязнения окружающей среды.
Это ни в коем случае не значит, что все остальные методы воздействия на химические процессы экономически невыгодны или бесполезны. В различных сферах химической промышленности в настоящие время невозможно обойтись без применения электролиза, радиационно-химических методов, термического метода и влияние растворителя.
Однако еще в 1964 году профессором МГУ А.П. Руденко была сформулирована теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем, основная сущность которой состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем. Следствием этой теории является «нетрадиционная технология» - технология с меняющимися условиями реакции. Этот процесс способствует интенсификации реакции и, как следствие, открывает перспективы создания и развития «новой» химии, основанной на катализе живой природы.
1. Афанасьев В.А., Зайков Г.Е. В мире катализа. – М.:Наука, 1977.
2. Глинка Н.Л. Общая химия. – Л.:Химия, 1986.
3. Еремин В.В., Каргов С.И., Кузьменко Н.Е. Задачи по физической химии. В 2-х частях. - М.: МГУ, 1999.
4. Кабакчи С.А., Булгакова Г.П. Радиационная химия в ядерном топливном цикле. – М.: РХТУ им. Д.И. Менделееева, 1997.
5. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания. Изд.3-е. – М.:Академический Проект, 2004.
6. Краткая химическая энциклопедия. Т.4, - М.:Советская энциклопедия, 1965.
7. Фиалков Ю.Я. Растворитель как средство управления химическим процессом. – Л.: Химия, 1990.
8. Хасин А.А., Сипатров А.Г., Пармон В.Н. Контрактные каталитически активные мембраны для процесса синтеза Фишера-Тропша. Мембраны. Информационно-аналитический журнал. – М.: ВИНИТИ, 2005, №4.