افزایش بازده واکنش های شیمیایی

چکیده: تلاش برای افزایش سرعت و بازده واکنش های شیمیایی همواره زمینه ساز تحولات چشمگیری در دانش شیمی بوده است. در این مقاله اهمیت افزایش بازده واکنش های شیمیایی را یادآور شده و به بررسی یکی از راه های افزایش سرعت و بازده واکنش های شیمیایی خواهیم پرداخت.

شرح درس:

در برخی از شاخه های شیمی مانند شیمی تجزیه، تنها واکنش هایی سودمند هستند که بازده آن ها 100 درصد باشد. در شاخه های دیگر، به ندرت می توان به بازده 100 درصد در یک واکنش دست یافت، از این رو بهبود بازده درصدی یک واکنش اهمیت زیادی پیدا می کند. محاسبه بازده همواره در واکنش های سنتزی به ویژه در سنتز مواد آلی بسیار مهم است. به عنوان مثال، واکنش تولید دی اتیل اتر از اتانول را در نظر بگیرید. این واکنش که یک واکنش تراکمی است در حضور سولفوریک اسید غلیظ به عنوان کاتالیزگر انجام می شود.

• واکنش تراکمی به دسته ای از واکنش های آلی گفته می شود که طی آن دو یا چند مولکول کوچک تر و یا چند گروه عاملی با یکدیگر ترکیب شده و یک مولکول بزرگ تر را ایجاد می کنند.

نوشتن این واکنش روی کاغذ آسان، اما انجام آن در آزمایشگاه با تنگناهای زیادی همراه است. یکی از مهم ترین تنگناها این است که همواره طی واکنش، مقداری اتانول به اتن تبدیل می شود.

بدیهی است مولکول های اتانولی که به اتن تبدیل شده اند، دیگر نمی توانند به دی اتیل اتر تبدیل شوند، از این رو، بازده تولید دی اتیل اتر کاهش می یابد. افزون بر این مشکل تنگناهای دیگری نیز وجود دارد. به عنوان مثال، دی اتیل اتر خالص را از طریق تقطیر مخلوط واکنش تهیه می کنند، اما همواره مقداری دی اتیل اتر در ظرف تقطیر باقی می ماند. هم چنین، مقداری اتانول ممکن است همراه با اتر تبخیر شود. حتی در بهترین شرایط، دست یافتن به بازده بیش از 80 تا 85 درصد دشوار است.

اغلب شیمی دان ها ناچارند به بازده 50 درصد یا حتی کمتر قانع شوند. از این رو شیمی آلی دان ها در صدد یافتن واکنش هایی با بازده بالا هستند یا تلاش می کنند با بهینه کردن شرایط واکنش، بازده واکنش های شناخته شده را افزایش دهند. یکی از راه های افزایش سرعت و بازده واکنش های شیمیایی استفاده از نانوکاتالیست هاست.

کاتالیست گونه ای است که انرژی فعال سازی واکنش را کاهش داده و در نتیجه سرعت واکنش را افزایش می دهد. فلزات واسطه جدول تناوبی عناصر، رایج ترین کاتالیست ها هستند. کاتالیست مناسب، باید سطح فعال زیاد داشته و قابل جداسازی باشد. فناوری نانو، می تواند سطح فعال بسیار زیادی را برای کاتالیست فراهم آورد. سطح فعال بالا و گزینش پذیری عالی در نانوکاتالیست ها باعث افزایش سرعت و بازده واکنش های شیمیایی می شود. نانوکاتالیست ها می توانند سرعت و بازده واکنش های شیمیایی را از حدود 10 تا 20 درصد به حدود 90 تا 100 درصد برسانند.

پژوهش ها و آزمایشاتی که در این زمینه انجام شده، نشان داده است که بازده واکنش ها در حضور نانوکاتالیست ها نسبت به کاتالیست های با اندازه ذرات بزرگتر به میزان قابل توجهی بیشتر است.