در مطالعه یک واکنش شیمیایی دو موضوع از اهمیت برخوردار است نخست این که آیا واکنش انجام می شود واگر چنین است تا چه حد پیشرفت خواهد کرد ؟ معمولاً تمام واکنشها قبل از این که کامل شوند متوقف می شوند سوال این است که سیستم در چه موقعیت تعادلی متوقف می شود پاسخ به این سوالات ونظایر آن در حوضه ترمودینامیک شیمیایی است دومین موضوع این است که موقعیت تعادلی با چه سرعتی قابل حصول است ؟وواکنش باچه سرعتی پیش می رود ؟ پاسخ به این سوالات وسوالهای مربوطه در حیطه کاری سینتیک شیمیایی است .
در طراحی یک فرایند شیمیایی هر دو موضوع باید در نظر گرفته شود . ترمودینامیک مشخص می کند تحت یک شرایط ویژه ، ماکزیمم محصول قابل تولید چقدر است اگر راندمان پایین وثابت تعادل کوچک باشد نتیجه عمل یک واکنش باارزش نخواهد بود . از طرف دیگر اگر فرایندی دارای ثابت تعادل بزرگی باشد ، اما سرعت رسیدن به این تعادل کند باشد ارزش چندانی نخواهد داشت فاکتورهای اقتصادی ، اغلب هردو عامل سرعت وراندمان بالا را نیاز خواهند داشت .
ترمودینامیک شیمیایی شاخه ای شناخته شده از علوم می باشد . بسیاری از اطلاعات روی اغلب سیستمهای شیمیایی قابل دسترس بوده واز آنها می توان موقعیت تعادلی را به صورت تابعی از دما وفشار ، غلظتها وهر متغییر دیگر تخمین زد . حتی وقتی اطلاعات دقیقی در دست نباشد ، دانش ترمودینامیک می تواند جواب را به خوبی حدس بزند .
اساس کلی ترمودینامیک شیمیایی این است که تغییرات در انرژی آزاد گیبس G ، انتالپی H وانتروپی S به حالتهای اولیه ونهایی سیستم بستگی دارد ، ونه به مسیری که سیستم از آن عبور می کند . در صورتی که مسئله برای سینتیک شیمیایی کاملا متفاوت است . پارامتر های موجود در سینتیک شیمیایی (ثابت سرعت K ، انرژی اکتیواسیون Ea ، درجه واکنش n) به طورمحسوسی به مسیر پیموده شده بستگی دارند وایجاد یک مسیر کاتالیز شده نه تنها مقادیر این پارامترهارا بلکه اهمیت آنها را تغییر می دهد . کاتالیزور نیز یک پارامتر سینتیکی می باشد وتعریفی که برای آن پذیرفته شده ورایج است این است که : کاتالیزور ماده ای است که سرعت واکنش شیمیایی را برای رسیدن به تعادل افزایش می دهد ، بدون آنکه در طی فرایند مصرف گردد .
در این تعریف استنباطهای مهمی وجود دارند که آنها رابررسی می کنیم این تعریف نشان می دهد که موقعیت تعادل درحضور کاتالیزور وعدم حضور کاتالیزور یکسان می باشد . البته قوانین ترمودینامیک نیز همین موضوع را ایجاب می کنند . از نقطه نظر ترمودینامیک فقط اختلاف حالت نهایی واولیه مهم است وبنابراین به کار رفتن یا نرفتن کاتالیزور تغییری در موقعیت تعادلی ایجاد نمی کند . در نتیجه تغییرات آنتروپی وآنتالپی استاندارد برای واکنشهای کاتالیستی وغیر کاتالیستی در هردمای داده شده باید یکسان باشد .
این موضوع خود منجر به مزایایی در اندازه گیری تغییر آنتالپی می شود. اندازه گیریهای کالریمتری آنتالپی واکنش در دمای متعارفی بسیارساده تر از دماهای بالاتر است که معمولا واکنشهای غیر کاتالیستی در آن دماها انجام می شوند . از اندازه گیریهای انجام شده برروی یک واکنش کاتالیستی که در دمای پایین ومناسب انجام می شود اطلاعات معادلی به دست می آید . برای مثال تعیین آنتالپی هیدروژناسیون اتن را در نظر می گیریم . در جدول (5-1) مقادیری که با کمک یک کاتالیست تعیین شده بامقادیر بدست آمده از انتالپی احتراق وهمچنین از تغییرات ثابت تعادل با دما در یک سیستم غیر کاتالیستی در دماهای بالا باهم مقایسه شده اند ، که توافق خوبی را نشان می دهد .
البته موارد گفته شده فقط وقتی معتبراند که واکنشهای کاتالیزوری وغیر کاتالیزوری یکسان بوده ومحصول یکسانی تولید نمایند . اما چنین حالتی بسیار نادر است . برای مثال اکسیداسیون همگن پروپن ایجادمحصولات اصلی دی اکسید کربن وآب می کند . اما در اکسیداسیون کاتالیزوری ممکن است محصولات واسطه مختلفی با راندمان خوبی به دست آید . بسته به نوع کاتالیزور مورد استفاده ممکن است اکرولین (پروپنال) ، اسیدکریلیک (پروپیونیک اسید) ، استون(پروپانون) ، استالدئید (اتانال) ، اسیداستیک (اتانوئیک) وغیره به دست آید . این مسئله در برخی اوقات مشکلاتی را ایجاد می کند وبه جاست که در مورد آن اندکی بحث شود . در ابتدا باید براین مطلب تأکید شود که کاتالیزور تنها سرعت واکنشی را افزایش می دهد که از لحاظ ترمودینامیکی امکان وقوع دارد و نمی تواند باعث آغاز یک واکنش که از نظر ترمودینامیکی غیر ممکن است گردد.
واکنشهای کاتالیزوری به همان اندازه واکنشهای غیر کاتالیزوری تحت تأثیر قوانین ترمودینامیک هستند . بنابراین اگر اکسیداسیون پروپن قادر به ایجاد محصولات واسطه اکسیداسیون گردد ، هر واکنش باید از لحاظ ترمودینامیکی قابل قبول باشد . این محصولات را به شرطی می توان از هم جدا کرد که زمان تماس آنها با کاتالیزور کم باشد این محصولات در صورت تماس زیاد با کاتالیزور به دی اکسید کربن وآب به طور کامل اکسید می شوند . در واقع این محصولات را محصولات نیمه پایدار (1) گویند . این موقعیت در شکل (5-1) نشان داده شده است.
موضوع دیگر اینکه حضور کاتالیزور تغییری درثابت تعادل نمی دهد . به عبارت دیگر خارج قسمت سرعتهای رفت وبرگشت واکنش باید بدون تغییر بماند . به هر حال چون کاتالیزور سرعت های رفت را زیاد می کند ، باید سرعت برگشت نیز باهمان فاکتور افزایش یابد برای مثال در یافتن کاتالیزور مناسب برای سنتز آمونیاک ، ساده تر این است که تجزیه آمونیاک را بررسی کنیم ، چرا که در دمای بالا ، حتی در فشار اتمسفری تعادل به سمت محصولات مورد نظر پیش می رود .
5-2 دسته بندی سیستم های کاتالیزوری
مطالب گفته شده به طور کلی برای تمام اشکال کاتالیزوری صادق می باشد . هرگاه صحبت از کاتالیزور باشد این مسائل اعتبار کلی وعمومی خواهند داشت . در حقیقت می توان سیستمهای کاتالیزوری را به دو دسته مجزا تقسیم کرد : الف) وقتی کاتالیزور باواکنش دهنده ها در یک فاز باشند وهیچ مرز فازی بین آنها وجود نداشته باشد واکنش کاتالیزوری را همگن یا یک نواخت نامند . این نوع کاتالیزور ها در حالت زیر اتفاق می افتد : 1- در فاز گازی ، به عنوان مثال وقتی اکسیدنیتروژن اکسیداسیون دی اکسید گوگرد را کاتالیز می کند . 2- در فاز مایع ، وقتی که اسیدها وبازها موتاراتاسیون (1) گلوکز را کاتالیز می نماید . ب) وقتی یک مرز فازی ، کاتالیزور را از واکنش دهنده ها جدا می کند ، از کاتالیز شدن هتروژن یا ناهمگن صحبت به میان می آید . تعدادی از ترکیبات فازی که می تواند اتفاق افتد در جدول (5-2) نشان داده شده است . ترکیبات فازی دیگر به ندرت در کاتالیزور ها ایجاد می گردند .
شامل 112 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق کاتالیزورهای ناهمگن
