نانو کاتالیست چیست؟

خش اعظم انرژی تولید شده در جهان به هدر می رود. لامپ‌های معمولی علاوه بر نور، گرما نیز تولید می‌کنندکه جز اتلاف انرژی چیزی نیست. انجام و دوام برخی فرآیندها، بیش از اندازه‌ی لازم انرژی می‌گیرند. مثلاً برای تولید گازوییل، باید به نفت گرما داد تا واکنش‌های مربوطه اتفاق بیفتد. یافتن روش‌هایی برای صرفه‌جویی انرژی در این فرآیندها، نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی دارد. استفاده از نانوفناوری در تولید مواد شیمیایی، یکی از این روش‌ها می‌باشد. استفاده از کاتالیزورها، در گذشته نیز برای انجام واکنش‌های شیمیایی رواج داشته است. با استفاده از نانو فناوری می‌توانیم کاتالیزورهای کارآمدتری تولید، و بیش از پیش در مصرف انرژی صرفه‌جویی نماییم.
کاتالیزوها موادی هستند که چنانچه به یک مخلوط واکنش افزوده شوند، سرعت واکنش را افزایش می‌دهند، بدون این‌که خود در واکنش شیمیایی شرکت نمایند. کاتالیزورها در پایان واکنش دست‌نخورده باقی‌ می‌مانند.
یک نمونه قدیمی از کاتالیزورها، پلاتین است که به طور مثال، از آن در سیستم اگزوز ماشین استفاده می‌شود. پلاتین به واکنش‌هایِ تبدیل گاز سمی مونوکسید کربن و اکسید نیتروژن به دو گاز سمی دی‌اکسید کربن و نیتروژن کمک می‌کند. هر چند کاتالیزورهای قدیمی هنوز هم کارایی دارند، ولی با پیشرفت علم نانو، کاتالیزورهای کارآمدتری در صنایع نفت و گاز ایجاد شده است.

هر چه سطح کاتالیزورها بزرگ‌تر باشد، کارایی آن‌ها نیز بیشتر است؛ چون در یک زمان با مولکول‌های بیشتری واکنش می‌دهند. تا همین چند سال اخیر، دانشمندان به ابزارهای لازم برای تولید و استفاده از نانوذرات مجهز نبودند؛ اما امروزه پژوهشگران، کاتالیزورهای متشکل از نانوذرات را با شناخت بهتری از چگونگی عملکرد آن‌ها طراحی می‌کنند.

2. کاربردهای نانوکاتالیست‌ها
2-1- کاهش CO2 هوا
یکی از مشکلات جهان امروز، افزایش میزان دی‌اکسید کربن در هواست. اگر بتوانیم روشی مؤثر و کارآمد در کاهش و پالایش گازهای خروجی دودکش‌ها بیابیم کمک بزرگی به رفع این مشکل کرده‌ایم. در این زمینه، نانوفناوری می‌تواند روش‌های موثر و ارزان‌تری در مقایسه با روش‌های فعلی ارائه نماید.
پوهشگران در پژوهشگاه ملی اوک ریج، نانوکریستالی طراحی کرده‌اند که می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد. وقتی دی‌اکسید کربن روی نانوکریستال تهیه شده از کادمیم، سلنیم و ایندیم می‌نشیند، نانوکریستال یک الکترون به دی‌اکسید کربن می دهد، و این الکترون اضاقی سبب می‌شود، دی‌اکسید کربن با دیگر مولکول‌های موجود در دودکش واکنش دهد، و به گازی با خطر کمتر تبدیل شود.

در واقع؛ این نانوکریستال یک کاتالیزور است. اگر هزینه تولید فیلترهای حاوی این نانو کریستال‌ها کمتر شود، می‌توان آن ها را به صورت فراگیر به کار برد.

2-2- جلوگیری از انتشار بخارات سمی جیوه
از دیگر چالش‌هایی که پژوهشگران امیدوارند بتوانند با نانوکریستال‌ها از پس آن برآیند، بخار جیوه است. نیروگاه‌های برق زغال سنگی، بخار جیوه منتشر می‌کنند. یکی از روش‌های جلوگیری از انتشار آن، استفاده از نانوکریستال‌های اکسید تیتانیوم در زیر تابش پرتو فرابنفش است، که باعث تبدیل بخار جیوه به اکسید جیوه که ماده‌ای جامد است خواهد شد.
 موتورهای دیزلی که در بیشتر اتوبوس‌ها و خودروهای سنگین به کار می‌روند هم، اکسیدهای نیتروژن منتشر می‌کنند. شرکت بیوفرندلی، نانوکاتالیزوری طراحی کرده است که وقتی به سوخت موتور دیزلی افزوده شود، باعث احتراق کامل سوخت می‌شود. به این ترتیب اکسیدهای نیتروژن کمتری منتشر می‌شود.

2-3- کاربرد نانوکاتالیست‌ها در تصفیه آب
از نانومواد کاتالیستی در صنایع تصفیه آب هم استفاده زیادی می‌شود. دانشگاه رایس وجورجیاتک، در طرحی مشترک روش کارآمدی برای حذف تری‌کلرواتین از آب ارائه کرده‌اند. این ماده خطرناک سبب بیماری‌های قلبی، تهوع و حساسیت چشمی می‌شود. این ماده می‌تواند بیشتر جهت چربی‌زدایی از تجهیزات مورد استفاده در فرآیند شیمیایی تبدیل این ماده به اتان که ماده‌ای بی ضرر است کاربرد داشته باشد. برای کاهش هزینه‌ها، نانوذرات طلا را با لایه‌ای از پالادیم می‌آلایند و از آن به عنوان کاتالیزور در نابودی تری‌کلرو اتیلن استفاده می‌نمایند.
یکی دیگر از روش‌های تصفیه آب که از روش پالادیم ارزان‌تر است، تزریق نانوذرات آهن به درون آب‌های آلوده است، پس از تزریق، نانوذرات آهن با اکسیژن موجود در آب تبدیل به زنگ آهن شده و آلاینده ها در تماس با این زنگ آهن خنثی می‌شوند. برای مثال، تتراکلرید کربن که ماده‌ی سمی بسیاری از شوینده‌هاست، در تماس با این زنگ آهن تبدیل به کلروفرم که ماده‌ای بی‌ضررتر است می‌شود.

بخش اول: انواع واکنش‏هاي شيميايي

ترکيب يک يا چند ماده‏ی مختلف و به وجود آمدن ماده يا مواد جديد، واکنش شيميايي نام دارد. بر اساس این تعريف، يک ماده نيز ممکن است با خودش واکنش داده، و محصول جديدي را توليد نماید. به اين واکنش‏ها پليمری شدن (Polymerization) گويند که در ادامه توضيح داده مي‏شود. واکنش‏ها انواع مختلف دارند و به صورت‏هاي مختلف طبقه‏بندي مي‏شوند.
در يک دسته‏بندي واکنش‏هاي شيميايي به صورت زير تقسيم مي‏شوند:
1- تركيبي
2- سوختن
3- تجزيه
4- جابه‌جايي يگانه
5- جابه‌جايي دوگانه
اين 5 دسته واکنش، دسته‏هاي اصلي واکنش‏هاي شيميايي هستند، و بقيه‏ی واکنش‏ها به گونه‏اي زيرمجموعه‏ی اين پنج دسته قرار مي‏گيرند.

1- واکنش ترکيبي:
واکنش ترکيبي، واكنشي است كه در آن چند ماده باهم تركيب مي‏شوند و فرآورده يا فرآورده‏هاي تازه‏اي با ساختاري پيچيده‏تر توليد مي‏كنند. واکنش ترکيبي به صورت زير تعريف مي‏شود:

aA + bB + cC + ... → rR + sS + qQ

در اين گروه، واکنش‏هاي زيادي قرار مي‏گيرند؛ مانند:
الف) واکنش بين يک نافلز با اکسيژن
در اثر واکنش، اکسيد نافلزي توليد مي‏شود که اگر اين اکسيد با آب واکنش دهد، توليد اسيد مي‏نماید. در اثر حذف يک مولکول آب از اسيد توليد شده، ماده‏ی توليدي اصطلاحاً «انيدريد» ناميده مي‏شود.

اکسيد نافلزي → نافلز + اکسيژن
اسيد → اکسيد نافلزي + آب

S + O2 → SO2
SO2 + 2H2O → H2SO4

ب) واکنش بين يک فلز با اکسيژن
در اثر این واکنش اکسيد فلزي توليد مي‏شود که چنانچه با آب واکنش دهد، توليد باز(قليا) مي‏نماید.

اکسيد فلزي → فلز+ اکسيژن
باز → اکسيد فلزي+آب

Na + O2 → Na2O
Na2O + H2O → 2NaOH

ج) واکنش‏هاي خنثي شدن
اين واکنش به چند دسته تقسيم مي‏شود:
1- واکنش بين يک اکسيد فلزي و يک اکسيد نافلزي: در اثر اين واکنش آب توليد نمي‏شود. بلکه تنها نمک، محصول توليدي خواهد بود:

Na2O2 + SO2 → Na2SO3

2- واکنش بين آمونياک و يک هاليد هيدروژن:

NH3 + HCl → NH4Cl

3- واکنش بين اسيد و آمونياک:

NH3 + H2SO4 → (NH4)2SO4

د) واکنش‏هاي پليمري
در واکنش‏هاي پليمري، همان‌طور که در بالا توضيح داده شد، در اثر ترکيب شدن يک مولکول ساده با خودش، مولكول‏هايي به نام پليمر (بسپار) که بسيار بزرگ هستند، تشکيل مي‏شوند.

در واکنش نشان داده شده در شکل بالا، تعداد بسيار زيادي اتيلن با يکديگر ترکيب شده و پلي‌اتيلن توليد مي‏شود.

نکته: البته این واکنش در دماهای بسیار بالا، و در حضور کاتالیزور انجام می‌شود؛ که در مقاله بعدی توضیح داده خواهد شد.

ه) واکنش‌هاي فوتوسنتز
در اين واکنش‏ها، از ترکيب گاز دي‌اکسيدکربن و آب، با کمک نور خورشيد، قند و اکسيژن توليد مي‏شود:

6CO2 (g) + 6H2O (g) → C6H12O6 (aq) + 6O2 (g)

2- واكنش سوختن:
واكنشي است كه طي آن يك ماده به سرعت با اكسيژن تركيب، و طي آن مقدار زيادي انرژي توليد مي‏شود که اين انرژي به صورت نور و گرما آزاد خواهد شد. امروزه، هنوز هم از واكنش سوختن براي تأمين انرژي استفاده
مي‏شود؛ زيرا سوخت‏هاي فسيلي اصلي‏ترين و ارزان‏ترين منبع توليد انرژي هستند.
به جز سوختن هيدروكربن‏ها، واكنش فلزهاي قليايي و قليايي خاكي ( به جزء Be) و نيز بعضي تركيب‏هاي ديگر از نوع سوختن بوده و با آزاد كردن گرما و نور شديد همراه هستند.
واکنش‏هاي سوختن به قرار زيرند:

نکته: اگر یک ماده به آهستگی با اکسیژن ترکیب شود، و گرما یا نور قابل‌ملاحظه‌ای تولید نکند؛ این وانش اکسایش نام دارد نه سوختن. مانند ترکیب شدن آهسته‌ی آهن با اکسیژن هوا وتولید زنگ آهن (Fe2O3) که نمونه‌ای از واکنش اکسایش می‌باشد.

3- واكنش تجزيه
واكنش تجزيه، واكنشي است كه طي آن يك ماده‏ی پيچيده به مواد ساده‏تري تبديل مي‏شود.
واکنش تجزيه به سه صورت انجام مي‏شود:
1- آب‌کافت (هيدروليز)
به کمک آب يک ماده به چند ماده‏ی ساده‏تر تبديل مي‏شود:

Na2SO4 → 2Na+ + SO4-2

2- برق‌‌کافت (الکتروليز)
برق‌كافت يك فرآيند تجزيه‏اي است كه طي آن، يك تركيب به کمک انرژي الکتريکي، به عناصر تشكيل دهنده‏اش تبديل (تجزيه) مي‏شود.

فلز + نافلز → نمک مذاب
2NaCl → 2Na + Cl2

3- با کمک گرما
در اثر حرارت دادن، ترکيبي به ترکيبات ساده‏تر تبديل مي‏شود:

2KNO3 → 2KNO2 + O2

4- واكنش جابه‌جايي يگانه :
دراين واكنش يك عنصر يا يون جايگزين عنصر يا يون ديگري در يك تركيب مي‏شود. اين واكنش به صورت زير مي‏باشد:

A + BC → AC + B

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2
Zn + 2AgNO3 → 2Ag + Zn (NO3)2

نکته: هر هالوژن که در جدول تناوبی، بالاتر از هالوژن دیگر قرار داشته باشد (به غیر از فلوئور)، می‌تواند جانشین هالوژن پایین‌تر شده و آن را خارج نماید. اما عکس این قضیه صادق نمی‌باشد. یعنی، هالوژن پایین‌تر، در مقابل هالوژن بالاتر بی‌اثر خواهد بود:

انجام ناپذیر → I2 + 2NaCl

علت شرکت نکردن فلوئور در این واکنش‌ها این است که،‌واکنش فلوئور با آب بسیار شدید است، و از آن‌جا که این واکنش‌های در محیط آبی انجام می‌شود، فلوئور پیش از خارج کردن هالوژن‌ پایین‌تر از خود، با آب وارد واکنش می‌شود.

F2 + H2O → HF + 1/2 O2

5- واكنش جابه‌جايي دوگانه:
واكنشي است كه در آن، جاي دو اتم يا يون در دو ماده باهم عوض مي‏شود. اين واكنش به صورت زير نشان داده مي‏شود:

AB + CD → AD + CB

HCl + NaOH → NaCl + H2O

واکنش يک اسيد و يک باز. در اثر اين واکنش، نمک و آب توليد خواهد شد. که بر حسب قدرت اسيد و باز نمک توليدي يا اسيدي خواهد بود و يا بازي.

نانو کاتالیست چیست؟

مطالب مشابه :

آشنایی با برخی از فلزات ، نافلزات و شبه فلزات و کاربرد هایشان

ماده

بخش سوم شیمی اول دبیرستان

پیوند شیمیایی و انواع آن

نانو کاتالیست چیست؟

سولات درس سوم

نمونه سوال فصل 3 علوم هفتم

سوالات فصل سوم علوم تجربی هفتم(متوسطه یک)

سوالات علوم پایه هفتم فصل سوم