อัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงอุณหภูมิหรือความเข้มข้นของสารตั้งต้น เมื่อปรากฎว่าการเติมสารแปลกปลอมเล็กน้อยอาจส่งผลต่อจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาและทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้นอย่างมาก ปัญหานี้เป็นเรื่องของการเร่งปฏิกิริยา ปัจจุบันนี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเคมี กระบวนการทางเทคโนโลยีขนาดใหญ่จำนวนมากคงเป็นไปไม่ได้หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา นอกจากนี้ เอนไซม์ซึ่งกระตุ้นกระบวนการทางชีวเคมียังมีบทบาทสำคัญในกระบวนการชีวิตบนโลกอีกด้วย
การเร่งปฏิกิริยา – คืออะไรและจำแนกได้อย่างไร?
การเร่งปฏิกิริยาหมายถึงปรากฏการณ์ของการเพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีโดยใช้สารที่ไม่ใช่ทั้งสารตั้งต้นหรือผลคูณของการเปลี่ยนแปลงนั้น สารดังกล่าวเรียกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา ประเภทพื้นฐานของตัวเร่งปฏิกิริยามีดังนี้:
- การเร่งปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน – ในการเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้ ทั้ง ซับสเตรต และตัวเร่งปฏิกิริยาจะอยู่ในสถานะทางกายภาพเดียวกัน ส่วนใหญ่มักเป็นสถานะของเหลวหรือก๊าซ ในกรณีนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำปฏิกิริยากับซับสเตรตตัวใดตัวหนึ่ง ทำให้เกิดสารเชิงซ้อนขั้นกลางที่ไม่เสถียร ซึ่งในทางกลับกันจะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นอีกตัวหนึ่ง เป็นผลให้เกิดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาและนำตัวเร่งปฏิกิริยากลับคืนมา ควรสังเกตว่าไม่ใช่ทุกปฏิกิริยาที่ดำเนินไปในลักษณะนี้ ที่จริงแล้ว กระบวนการแบบหลายขั้นตอนเป็นกระบวนการที่พบบ่อยที่สุด ตัวอย่างของปฏิกิริยาที่เป็นเนื้อเดียวกัน (หรือเฟสเดียว) คือการเกิดออกซิเดชันของซัลเฟอร์ (IV) ออกไซด์กับซัลเฟอร์ (VI) ออกไซด์ ส่วนประกอบทั้งหมด เช่น สารตั้งต้น ตัวเร่งปฏิกิริยา และผลิตภัณฑ์ มีอยู่ในสถานะก๊าซ
- การเร่งปฏิกิริยาแบบต่างกัน – นี่เป็นประเภทการเร่งปฏิกิริยาที่ใช้บ่อยที่สุด เช่น ในกระบวนการ อุตสาหกรรมเคมี ในที่นี้ ตัวเร่งปฏิกิริยามีสถานะทางกายภาพของสสารที่แตกต่างจากสารตั้งต้นอื่นๆ โดยปกติจะเป็นของแข็งหรือที่เรียกว่า ‘การติดต่อ’ สารตั้งต้นดูดซับบนพื้นผิวของมัน จากนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจะทำปฏิกิริยากับพวกมัน ผลิตภัณฑ์ที่ได้จะดูดซับและออกจากพื้นผิวสัมผัส ทำให้มีที่ว่างสำหรับวัสดุพิมพ์ถัดไป การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้ทำให้สามารถดำเนินการได้ เช่น ปฏิกิริยาระหว่างสารที่เป็นก๊าซซึ่งปกติจะไม่ทำปฏิกิริยากัน เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่ต่างกันมีความสำคัญมากจากมุมมองทางอุตสาหกรรม ปัญหาหลักของตัวเร่งปฏิกิริยาประการหนึ่งคือการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกันและมีรูปร่างที่ให้พื้นผิวสัมผัสที่ใหญ่ที่สุดที่เป็นไปได้
- การเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ – นอกเหนือจากการหมักแล้ว เอ็นไซม์ยังเป็นกลุ่มของโปรตีนที่เกี่ยวข้องกับการเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพของการสังเคราะห์ทางชีวภาพและปฏิกิริยาการสลายตัว กระบวนการเหล่านี้เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและของเหลวในร่างกาย เอนไซม์ เช่นเดียวกับตัวเร่งปฏิกิริยา ‘คลาสสิก’ จะลดพลังงานกระตุ้นของปฏิกิริยาทางชีวภาพ บนพื้นผิวของพวกมัน พวกมันมีสิ่งที่เรียกว่าศูนย์กลางที่แอคทีฟ เนื่องจากรูปร่างและโครงสร้าง ศูนย์เหล่านี้จึงเข้ากันได้กับพื้นผิวเฉพาะเท่านั้น ดังนั้นการเลือกใช้เอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาคือ 100%นอกจากนี้ การเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวยังเรียกว่าแบบจำลองกุญแจและล็อค หลังจากการก่อตัวของสารเชิงซ้อนของเอนไซม์และสารตั้งต้น พันธะบางส่วนจะคลายตัวและผลิตภัณฑ์จะถูกสร้างขึ้น จากนั้นเอนไซม์จะถูกปล่อยออกมาและกลับสู่รูปแบบดั้งเดิม
การเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติ เป็นปรากฏการณ์ที่น่าสนใจ มันเกิดขึ้นเมื่อผลลัพธ์ของปฏิกิริยากลายเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นเมื่อเวลาผ่านไป ปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นเร็วขึ้นและเร็วขึ้น ตัวอย่างของกระบวนการเร่งปฏิกิริยาอัตโนมัติคือปฏิกิริยาของ KMnO 4 กับ ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด ไอออนที่เกิดขึ้น (เช่น Mn 2+ ) ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาดั้งเดิม
ตัวเร่งปฏิกิริยา
ตัวเร่งปฏิกิริยา คือสารเคมีที่เมื่อนำเข้าสู่ระบบปฏิกิริยาจะเร่งปฏิกิริยาเคมี สิ่งสำคัญคือ พวกมันไม่ผ่านการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในระหว่างการทำปฏิกิริยา และพวกมันจะถูกคืนสภาพให้อยู่ในรูปเดิมเมื่อปฏิกิริยาเสร็จสมบูรณ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่เติมเข้าไปในระบบปฏิกิริยาจะสร้างพันธะชั่วคราวที่ไม่เสถียรกับซับสเตรต ซึ่งจะทำให้พลังงานกระตุ้นลดลง สิ่งสำคัญคือ ตัวเร่งปฏิกิริยาไม่รวมอยู่ในสมการปริมาณสัมพันธ์ของกระบวนการโดยรวม ยิ่งไปกว่านั้น แม้จะมีตัวเร่งปฏิกิริยา ก็ไม่สามารถเริ่มต้นปฏิกิริยาที่ไม่สามารถทำได้ทางเทอร์โมไดนามิกส์ เพื่อให้ปฏิกิริยาเคมีเกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขบางประการ จำเป็นต้องให้พลังงานมากกว่าพลังงานกระตุ้นที่ต้องการ ในกรณีนี้ บทบาทของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการลดปริมาณพลังงานที่ต้องการ เพื่อให้ปฏิกิริยาเริ่มต้นเร็วขึ้น เป็นที่น่าสังเกตว่าตัวเร่งปฏิกิริยาไม่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงในสภาวะสมดุล มันเพียงเร่งช่วงเวลาแห่งความสำเร็จเท่านั้น ยิ่งทำสิ่งนี้ได้เร็วเท่าไรก็ยิ่งถือว่ามีความกระตือรือร้นมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นกิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาจึงถูกกำหนดให้เป็นความแตกต่างของอัตราที่ปฏิกิริยาจะเข้าสู่สภาวะสมดุลเมื่อมีและไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา เกณฑ์อีกประการหนึ่งที่แสดงลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยาคือการเลือกสรร มันถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของปริมาณของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้นต่อจำนวนรวมของผลิตภัณฑ์ทั้งหมดที่เกิดขึ้นระหว่างการทำปฏิกิริยา สารที่ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการทางอุตสาหกรรมมักจะได้รับการคัดเลือกที่ 70%ถึง 90%ด้วยเหตุนี้เอนไซม์จึงมีลักษณะเฉพาะ ระดับการเลือกสรรที่พวกเขาได้รับในปฏิกิริยาทางชีวเคมีนั้นสูงถึง 100%
ความสำคัญของการเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการทางอุตสาหกรรม
ในปัจจุบัน การเร่งปฏิกิริยามีบทบาทสำคัญในหลายกระบวนการ โดยเฉพาะในอุตสาหกรรมเคมี ตัวเร่งปฏิกิริยามีส่วนช่วยในการผลิตสารเคมีที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งในทางกลับกัน จะถูกนำไปใช้ในการผลิตปุ๋ย เป็นต้น ตัวอย่างของกระบวนการในอุตสาหกรรมเคมีที่อาศัยการเร่งปฏิกิริยามีดังต่อไปนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นหนึ่งในตัวที่ใช้กันมากที่สุด อย่างไรก็ตาม เราควรจำไว้ว่ามีการนำโซลูชั่นใหม่หรือโซลูชั่นที่แก้ไขออกสู่ตลาดอย่างต่อเนื่อง และพวกเขาก็ประสบความสำเร็จในการค่อยๆ ทดแทนสารที่ใช้ก่อนหน้านี้
การผลิตกรดไนตริก (V)
การผลิต กรดไนตริก (V) ประกอบด้วยหลายขั้นตอนติดต่อกัน ประการแรกคือการเผาไหม้ของแอมโมเนียในออกซิเจนไปเป็นไนตริก (II) ออกไซด์และน้ำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ จะดำเนินการโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งเป็นโลหะผสมของแพลตตินัมและโรเดียม (93%Pt และ 7%Rh) โลหะผสมนี้ใช้ในการผลิตสายไฟที่ใช้ทอตาข่ายพิเศษ มีตาข่ายสองหรือสามตาข่ายวางอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ ตั้งฉากกับการไหลของก๊าซที่ทำปฏิกิริยา อย่างไรก็ตาม วิธีการนี้มีข้อจำกัดบางประการ ก๊าซที่เคลื่อนที่ทำให้เกิดการเสียดสีกับตาข่าย ส่งผลให้สลายตัวและสูญเสียแพลตตินัม การสูญเสียเหล่านี้เห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในส่วนออกซิเดชัน ซึ่งมีความดันเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิสูง นอกจากนี้ ตาข่ายแพลตตินัมยังค่อนข้างไวต่อพิษที่เกิดจากการทำให้ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจากสารรบกวน เช่น ซัลเฟอร์ บริสุทธิ์ไม่เพียงพอ ในระหว่างการเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของแอมโมเนีย ไนตรัสออกไซด์จะถูกสร้างขึ้นเป็นผลพลอยได้ ปัจจุบันโซลูชั่นการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกมีวางจำหน่ายแล้วในท้องตลาด เพื่อจุดประสงค์นี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาออกไซด์ที่ใช้อะลูมิเนตจะถูกนำมาใช้ใกล้กับตาข่ายโลหะผสม Pt-Rh สำหรับการสลายตัวที่อุณหภูมิสูงของไนตรัสออกไซด์ในก๊าซไนตรัส คุณลักษณะเฉพาะของตัวเร่งปฏิกิริยานี้คือความสามารถในการคัดเลือกการสลายตัวสูงซึ่งสัมพันธ์กับ N 2 O
ออกซิเดชันของ SO 2 ถึง SO 3
ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งในการผลิต กรดซัลฟิวริก (VI) ทางอุตสาหกรรมคือการออกซิเดชันของซัลเฟอร์ (IV) ออกไซด์เป็นซัลเฟอร์ (VI) ออกไซด์ กระบวนการนี้ดำเนินการโดยใช้วิธีการติดต่อ สารหลายชนิดสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในปฏิกิริยาออกซิเดชันนี้ได้ พวกมันเร่งปฏิกิริยาในระดับที่แตกต่างกัน ได้รับการพิสูจน์แล้วจากการทดลองว่าประสิทธิภาพสูงสุดทำได้โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาวานาเดียม ประกอบด้วยวานาเดียม (V) ออกไซด์ซึ่งสะสมอยู่บนส่วนรองรับ (โดยปกติคือซิลิกา) นอกจากนี้ยังมีสารกระตุ้น (โซเดียมออกไซด์หรือโพแทสเซียมออกไซด์) และสารเติมแต่งอื่น ๆ ที่ส่งผลต่อความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง ปริมาณวานาเดียม (V) ออกไซด์ในตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ระหว่าง 5 ถึง 7 โดยน้ำหนัก%มีประสิทธิภาพสูงสุดที่อุณหภูมิค่อนข้างสูง บนพื้นผิวของมัน ตัวเร่งปฏิกิริยาวาเนเดียมมีตำแหน่งที่ทำงานอยู่ซึ่งโมเลกุล O 2 และ SO 2 ถูกดูดซับ ที่นั่นปฏิกิริยาจะเกิดขึ้นตามด้วยการสลายผลิตภัณฑ์ที่เป็นผล ความบริสุทธิ์ไม่เพียงพอของซับสเตรตที่ป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์อาจส่งผลให้เกิดพิษจากตัวเร่งปฏิกิริยา กล่าวคือ การหยุดการทำงานของบริเวณที่ทำงาน ในกรณีนี้สารพิษ ได้แก่ คลอรีน ฟลูออรีน และสารหนู
การผลิตแอมโมเนีย
กระบวนการเร่งปฏิกิริยาอีกประการหนึ่งในอุตสาหกรรมเคมีคือการสังเคราะห์ แอมโมเนีย กระบวนการนี้ช้ามากจนจำเป็นต้องใช้ผู้ติดต่อที่เหมาะสม ในกรณีนี้ ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดคือเหล็กที่กระตุ้นด้วยอลูมินาและโพแทสเซียมออกไซด์จำนวนเล็กน้อย มันถูกสร้างขึ้นโดยการเผาเหล็กต่อหน้าออกซิเจนแล้วละลาย Fe 3 O 4 ที่เกิดขึ้นด้วย Al 2 O 3 และ K 2 O โลหะผสม (บ่อยที่สุด) ในรูปของเม็ดคือตัวเร่งปฏิกิริยาสำเร็จรูป เช่นเดียวกับกระบวนการอื่นๆ ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์แอมโมเนีย ตัวเร่งปฏิกิริยาเหล็กทำให้เกิดการดูดซับไฮโดรเจนและไนโตรเจนที่บริเวณที่ทำงาน และการสลายของผลิตภัณฑ์ที่เกิดขึ้น สารประกอบที่ทำให้เกิดการย่อยสลายของหน้าสัมผัสเหล็กส่วนใหญ่เป็นซัลเฟอร์ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำ
