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Text File  |  1998-07-25  |  7.7 KB  |  141 lines

  1. This file is copyright of Jens Schriver (c) 
  2. It originates from the Evil House of Cheat 
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  7. -------------------------------------------------------------- 
  8. Essay Name       : 1551.txt 
  9. Uploader         : Rob Taylor
  10. Email Address    : 
  11. Language         : English
  12. Subject          : Chemistry
  13. Title            : Role of Catalyists in Industry
  14. Grade            : 92%
  15. School System    : A-Level
  16. Country          : England
  17. Author Comments  : Pleased with this - enjoy!
  18. Teacher Comments : Excellent - worthy of high grade
  19. Date             : 10/04/96
  20. Site found at    : By accident but I'm glad I did!
  21. --------------------------------------------------------------
  22. OXFORD AND CAMBRIDGE SCHOOLS EXAMINATION BOARD.
  23.  
  24. General Certificate Examination - Advanced Level
  25.  
  26. Chemistry (Salters') - Paper 3 mock.
  27.  
  28. ROBERT TAYLOR U6JW.
  29.  
  30. THE ROLE CATALYSTS IN CHEMICAL REACTIONS, THEIR IMPORTANCE IN INDUSTRY,
  31.                 PROBLEMS AND NEW DEVELOPMENTS.
  32.  
  33.     A Catalyst is a substance that alters the rate of a reaction.
  34. The catalyst remains unchanged at the end of the reaction. The process
  35. is called catalysis. In this report I aim going to explain the role of 
  36. catalysts in chemical reactions and their importance in industry. 
  37. I will also outline the problems associated with the use of some 
  38. catalysts and discuss, using appropriate examples, new developments in 
  39. this area which will help reduce damage to the environment.
  40.  
  41. The process of catalysis is essential to the modern day manufacturing
  42. industry. Ninety per cent, over a trillion dollars' worth, of 
  43. manufactured items are produced with the help of catalysts every year. 
  44. It is therefore logical that scientists are constantly searching for 
  45. new improved catalysts which will improve efficiency or produce a
  46. greater yield.
  47.     
  48. An acidic catalyst works due its acid nature. Catalysts are strong 
  49. acids and readily give up hydrogen ions, or protons: H+. Protons can be
  50. released from hydrated ions, for example H3O+, but more commonly 
  51. they are released from ionisable hydroxyl groups (R-OH) where the O-H 
  52. bond is broken to produce R-O- and H+. When the reactant receives 
  53. protons from an acid it undergoes a conformational change, (change in
  54. shape and configuration), and becomes a reactive intermediate. The 
  55. intermediate can then either become an isomer by returning a proton to
  56. the catalyst, or it may undergo a further reaction and form a 
  57. completely new molecule.
  58.  
  59. Up until the mid - 1960's silica-alumina gels were used to catalyse the
  60. cracking of hydrocarbons. This form of cracking is where the large 
  61. molecules in oil are converted into small, highly volatile molecules. 
  62. However because the size of the pores of silica-alumina gels was so 
  63. variable, (ranging from 0.1nm to 50nm), and the fact that their shape 
  64. was so variable, they were hardly ideal catalysts. Due to the large 
  65. size of their cavities, large carbonaceous products were able to form 
  66. in the cavities thus lowering the reactivity if the catalyst. Catalysis
  67. with alumina silica-gels was also difficult to control precisely 
  68. because of their indefinite structure, and therefore uneven distribution 
  69. of protons.
  70.  
  71. By the mid-1960's it was obvious that silica-alumina gels were inefficient
  72. as catalysts and they were replaced by zeolites. Zeolites are highly porous 
  73. crystals with minute channels ranging from 0.3nm to 0.8nm in diameter. Due to 
  74. their definite crystalline structure and the fact that their pores are too 
  75. small to contain carbonaceous build-up, zeolites do not share the problems of
  76. silica-alumina gels.
  77.  
  78. Zeolites are able to exhibit shape-selective crystals i.e.. their active sites
  79. are specific to only a few product molecules (the ones that will fit into the 
  80. tiny pores).
  81.  
  82. An example of this is when the zeolite ZSM-5 is used to catalyse the synthesis 
  83. of 1,4-dimethylbenzine. When molecules of methylbenzene combine with methanol in
  84. the ZSM-5 catalyst, only rod-shaped molecules 1,4-dimethylbenzene are released, 
  85. (these are the commercially desirable ones). The boomerang shaped molecules are 
  86. unable to pass through the catalysts pores and are therefore not released.
  87.  
  88. Until relatively recently, one of the large drawbacks with catalysts was the highly
  89. toxic by-products which they became after use. This was because the catalysts were 
  90. often corrosive acids with a high toxicity level in liquid form. Examples include 
  91. hydrogen fluoride. Once these catalysts had been used this promoted great problems 
  92. in terms of disposal as these acids corrode disposal containers and are highly 
  93. dangerous to transport and handle.
  94.  
  95. These problems have been solved by a new type of catalyst. Solid acid catalysts, such 
  96. as silica-alumina gels and zeolites, hold their acidity internally and are therefore 
  97. much safer to work with and to dispose of.
  98.  
  99. More recently, pressure from environmentalists has led to a search for more
  100. environmentally friendly forms of catalysis. There is now a need to replace both the
  101. Friedel - Crafts process which involves the unwanted production of hydrated 
  102. aluminium chloride and the Oxidation process which forms by-products containing nitric
  103. acid, chromate (VI) and manganate (VII). The leading contender for an environmentally
  104. acceptable alternative to the Friedel - Crafts and Oxidation processes is the process
  105. of using Supported reagents. These are materials where a reagent such as ZnCl2 or FeCl3
  106. has been absorbed on to an insoluble inorganic or organic solid (e.g. silica, alumina, 
  107. clay or charcoal). When a reagent has been well dispersed on the surface of the support 
  108. material, the effective surface area of the reagent can be increased by up to one
  109. hundred times. This improves reagent activity and selectivity, along with the fact
  110. that supported reagents are easier to handle as they invariably low-toxic, non-corrosive
  111. free flowing powders. Also the reagents can be filtered from the mixture after use and 
  112. therefore be subsequently re-used. Supported reagents have good thermal and mechanical 
  113. stability's and their reactions are more often than not carried out in non-polar solvents.
  114. This is due to the fact that the reaction takes place on the surface of the solid 
  115. therefore the solvent only acts as a form of heat transfer and a working fluid.
  116.  
  117. In summary I see Supported reagents as the best possible solution to the problems associated 
  118. with catalysis due to their easy use and their ability to be recovered and re-used. 
  119. They have a high level of activity and improved selectivity in reactions. This is 
  120. accompanied by their highly catalytic activity which leads to the best possible level of 
  121. performance in commercial uses. This has already been proven by the use of active reagents
  122. in Friedel - Crafts reactions. These reactions originally had the drawbacks of firstly 
  123. the hydrolysed aluminium chloride containing aqueous effluent which is produced, and 
  124. secondly the by-products such as polymeric tars and di- and polysubstituted by-products
  125. which are produced which unless they can be successfully removed make the product impure.
  126. By using a supported reagent catalyst, in most cases the desired level of activity can be
  127. achieved but the catalyst can be removed easily from the reaction mixture and re-used. I 
  128. personally therefore feel that the future of environmentally friendly catalysis lies with
  129. supported reagent catalysts.
  130.  
  131.  
  132.  
  133. WORD COUNT = 998    
  134.  
  135.  
  136. NB: Athough this essay is headed as being a mock exam it was never assessed by an examining
  137. board, only my chemistry teacher so there is no chance of an examining board also having a 
  138. copy. Rob Taylor 25/11/1996. ~:o)
  139.  
  140. --------------------------------------------------------------
  141.