Pemangkinan

Pemangkinan – apakah itu dan bagaimana ia dikelaskan?

Pemangkinan ditakrifkan sebagai fenomena peningkatan kadar tindak balas kimia dengan menggunakan bahan yang bukan substrat mahupun hasil daripada transformasi itu. Bahan sedemikian dipanggil mangkin. Jenis asas pemangkinan adalah seperti berikut:

• Pemangkinan homogen – dalam jenis pemangkinan ini kedua-dua substrat dan pemangkin berada dalam keadaan fizikal yang sama. Selalunya, ia adalah fasa cecair atau gas. Dalam kes ini, mangkin bertindak balas dengan salah satu substrat, membentuk kompleks perantaraan yang tidak stabil, yang seterusnya bertindak balas dengan bahan tindak balas yang lain. Akibatnya, produk tindak balas terbentuk, dan mangkin dipulihkan. Perlu diingatkan bahawa tidak semua tindak balas berlaku dengan cara ini. Malah, proses berbilang peringkat adalah jenis yang paling biasa. Contoh tindak balas homogen (atau fasa tunggal) ialah pengoksidaan sulfur (IV) oksida kepada sulfur (VI) oksida. Semua komponen, iaitu substrat, pemangkin dan produk, terdapat dalam fasa gas.
• Pemangkinan heterogen – ini adalah jenis pemangkinan yang paling biasa digunakan, contohnya dalam proses industri kimia . Di sini, pemangkin berada dalam keadaan fizikal jirim yang berbeza daripada bahan tindak balas yang lain. Ia biasanya pepejal, atau dipanggil ‘kenalan’. Substrat menjerap pada permukaannya. Kemudian, pemangkin bertindak balas dengan mereka. Produk yang terhasil menyahserap dan meninggalkan permukaan sentuhan, memberi ruang untuk substrat seterusnya. Penggunaan jenis pemangkinan ini memungkinkan untuk menjalankan, sebagai contoh, tindak balas antara bahan gas yang biasanya tidak bertindak balas antara satu sama lain. Memandangkan pemangkinan heterogen adalah sangat penting dari sudut pandangan industri, salah satu isu utama pemangkinan ialah pembangunan pemangkin yang diperbuat daripada bahan yang berbeza dan mempunyai bentuk yang menyediakan permukaan sentuhan terbesar yang mungkin.
• Pemangkinan enzim – enzim adalah, selain penapaian, sekumpulan protein yang terlibat dalam biopemangkinan biosintesis dan tindak balas penguraian. Proses ini berlaku dalam sel organisma hidup dan cecair badan. Enzim, sama seperti pemangkin ‘klasik’, merendahkan tenaga pengaktifan tindak balas biologi. Di permukaan mereka, mereka mempunyai apa yang dipanggil pusat aktif. Oleh kerana bentuk dan strukturnya, pusat ini hanya serasi dengan substrat tertentu. Oleh itu, selektiviti enzim sebagai pemangkin adalah 100%. Tambahan pula, pemangkinan tersebut dirujuk sebagai model kunci dan kunci. Selepas pembentukan kompleks enzim-substrat, beberapa ikatan dilonggarkan dan produk terbentuk. Enzim tersebut kemudiannya dilepaskan dan kembali ke bentuk asalnya.

Autocatalysis adalah fenomena yang menarik. Ia berlaku apabila hasil tindak balas yang terhasil menjadi pemangkinnya. Oleh itu, dengan masa, tindak balas berjalan lebih cepat dan lebih cepat. Contoh proses autokatalitik ialah tindak balas KMnO ₄ dengan hidrogen peroksida dalam persekitaran berasid. Ion-ion yang terbentuk (iaitu Mn ²⁺ ) bertindak sebagai pemangkin bagi tindak balas asal.

Pemangkin

Pemangkin ialah bahan kimia yang, apabila dimasukkan ke dalam sistem tindak balas, mempercepatkan tindak balas kimia. Apa yang penting, ia tidak mengalami perubahan kimia semasa tindak balas, dan ia akan dipulihkan dalam bentuk asalnya sebaik sahaja tindak balas selesai. Mangkin yang ditambahkan pada sistem tindak balas membentuk ikatan sementara yang tidak stabil dengan substrat. Ini membolehkan tenaga pengaktifan diturunkan. Apa yang penting, mangkin tidak termasuk dalam persamaan stoikiometri proses keseluruhan. Selain itu, walaupun dengan pemangkin, adalah tidak mungkin untuk memulakan tindak balas yang tidak boleh dilaksanakan secara termodinamik. Agar tindak balas kimia tertentu berlaku dalam keadaan tertentu, adalah perlu untuk menyediakan tenaga yang lebih besar daripada tenaga pengaktifan yang diperlukan. Dalam kes ini, peranan pemangkin adalah untuk mengurangkan jumlah tenaga yang diperlukan, supaya tindak balas boleh bermula dengan lebih cepat. Perlu diingat bahawa pemangkin tidak menjejaskan anjakan dalam keadaan keseimbangan. Ia hanya mempercepatkan detik pencapaiannya. Lebih cepat ia melakukan ini, lebih aktif ia dianggap. Oleh itu, aktiviti mangkin ditakrifkan sebagai perbezaan dalam kadar di mana tindak balas mencapai keseimbangan dalam kehadiran dan ketiadaan mangkin. Kriteria lain yang mencirikan pemangkin ialah selektiviti mereka. Ia ditakrifkan sebagai nisbah jumlah produk yang terbentuk kepada jumlah keseluruhan semua produk yang terbentuk semasa tindak balas. Bahan yang digunakan sebagai pemangkin dalam proses perindustrian biasanya mencapai selektiviti 70%hingga 90%. Dalam hal ini, enzim adalah unik. Tahap selektiviti yang mereka capai dalam tindak balas biokimia mencapai sehingga 100%.

Kepentingan pemangkinan dalam proses perindustrian

Pada masa ini, pemangkinan memainkan peranan penting dalam banyak proses, terutamanya dalam industri kimia. Pemangkin menyumbang kepada pengeluaran bahan kimia yang lebih cekap, yang seterusnya digunakan, sebagai contoh, dalam pengeluaran baja. Tiga contoh proses industri kimia yang bergantung kepada pemangkinan dibentangkan di bawah. Pemangkin ini adalah antara yang paling biasa digunakan. Walau bagaimanapun, seseorang harus ingat bahawa penyelesaian baru atau diubah suai sentiasa diperkenalkan ke pasaran, dan mereka berjaya menggantikan secara beransur-ansur bahan yang digunakan sebelum ini.

Penghasilan asid nitrik (V).

Penghasilan asid nitrik (V) terdiri daripada beberapa peringkat berturut-turut. Pertama, ialah pembakaran ammonia dalam oksigen kepada nitrik (II) oksida dan air. Untuk meningkatkan kecekapan proses, ia dijalankan menggunakan mangkin, iaitu aloi platinum dan rhodium (93%Pt dan 7%Rh). Aloi ini digunakan untuk menghasilkan wayar dari mana jerat khas dianyam. Dua atau tiga jerat diletakkan di dalam reaktor, berserenjang dengan aliran gas yang bertindak balas. Walau bagaimanapun, kaedah ini mempunyai beberapa batasan. Gas yang bergerak menyebabkan geseran terhadap jerat, mengakibatkan degradasi dan kehilangan platinum. Kerugian ini amat ketara dalam bahagian pengoksidaan, di mana terdapat peningkatan tekanan dan suhu tinggi. Di samping itu, jerat platinum agak sensitif kepada keracunan yang disebabkan oleh penulenan gas bertindak balas yang tidak mencukupi daripada bahan yang mengganggu, contohnya sulfur. Semasa pengoksidaan pemangkin ammonia, nitrus oksida terbentuk sebagai hasil sampingan. Pada masa ini, penyelesaian mengurangkan pelepasannya tersedia di pasaran. Untuk tujuan ini, mangkin oksida berasaskan aluminat digunakan berhampiran jejaring aloi Pt-Rh untuk penguraian suhu tinggi nitrus oksida dalam gas nitrus. Ciri ciri pemangkin ini ialah selektiviti penguraian yang tinggi berhubung dengan N ₂ O.

Pengoksidaan SO ₂ kepada SO ₃

Salah satu langkah terpenting dalam pengeluaran industri asid sulfurik (VI) ialah pengoksidaan sulfur (IV) oksida kepada sulfur (VI) oksida. Proses ini dilakukan menggunakan kaedah hubungan. Banyak bahan boleh bertindak sebagai pemangkin dalam tindak balas pengoksidaan ini. Mereka mempercepatkan tindak balas kepada tahap yang berbeza-beza. Telah terbukti secara eksperimen bahawa kecekapan tertinggi dicapai menggunakan pemangkin vanadium. Mereka terdiri daripada vanadium (V) oksida, yang didepositkan pada sokongan (biasanya silika). Di samping itu, ia juga mengandungi pengaktif (natrium oksida atau kalium oksida) dan bahan tambahan lain yang mempengaruhi, antara lain, kekuatannya pada suhu tinggi. Jumlah vanadium (V) oksida dalam mangkin berkisar antara 5 hingga 7 wt%. Ia mencapai kecekapan terbesarnya pada suhu yang agak tinggi. Pada permukaannya, mangkin vanadium mempunyai tapak aktif di mana molekul O ₂ dan SO ₂ terjerap. Di sana, tindak balas mereka berlaku, diikuti dengan desorpsi produk yang dihasilkan. Ketulenan substrat yang tidak mencukupi yang dimasukkan ke dalam reaktor boleh mengakibatkan keracunan mangkin, iaitu penyahaktifan tapak aktifnya. Dalam kes ini, racun termasuk klorin, fluorin dan arsenik.

Pengeluaran ammonia

Satu lagi proses pemangkin dalam industri kimia ialah sintesis ammonia . Proses itu sendiri sangat perlahan sehingga perlu menggunakan kenalan yang sesuai. Dalam kes ini, pemangkin yang paling baik adalah besi diaktifkan dengan sejumlah kecil alumina dan kalium oksida. Ia terbentuk dengan membakar besi dengan kehadiran oksigen dan kemudian mencairkan Fe ₃ O ₄ yang terhasil dengan Al ₂ O ₃ dan K ₂ O. Aloi (paling kerap) dalam bentuk butiran adalah mangkin siap. Seperti dalam proses lain, semasa proses sintesis ammonia, pemangkin besi menyebabkan penyerapan hidrogen dan nitrogen di tapak aktifnya dan desorpsi produk yang terhasil. Sebatian yang bertanggungjawab untuk degradasi sentuhan besi adalah terutamanya sulfur, karbon dioksida dan wap air.