కెమిస్ట్రీలో హోలీ గ్రెయిల్ రియాక్షన్ గురించి మీకు తెలుసా?
April 22, 2024
సహజ వాయువు విషయానికి వస్తే, మీకు దాని గురించి తెలియకూడదు, ఈ రోజుల్లో అది లేకుండా ఏ ఇంటిని ఉడికించలేరు. సహజ వాయువు యొక్క ప్రధాన భాగం మీథేన్, ఇది సరళమైన హైడ్రోకార్బన్ సమ్మేళనాలలో ఒకటి. శక్తి మరియు రసాయన పరిశ్రమ యొక్క ఆకుపచ్చ మరియు స్థిరమైన అభివృద్ధిని గ్రహించడానికి మీథేన్ అభివృద్ధి మరియు వినియోగాన్ని వేగవంతం చేయడం కీలకం. ఇంధనంగా దాని ప్రత్యక్ష వాడకంతో పాటు, మీథేన్‌ను C1 వనరుగా కూడా ఉపయోగించవచ్చు, అనగా, కార్బన్ అణువును కలిగి ఉన్న అణువు మరియు మిథనాల్, ఫార్మిక్ వంటి అధిక-విలువ-జోడించిన రసాయనాలను సిద్ధం చేయడానికి మార్చవచ్చు. ఆమ్లం మరియు మొదలైనవి. మీథేన్‌ను ఆక్సిజన్‌లో కాల్చవచ్చు, ఇవి నీరు మరియు కార్బన్ డయాక్సైడ్ ఏర్పడతాయి. దహన లేకుండా, తేలికపాటి పరిస్థితులలో మీథేన్ అణువుల హైడ్రోకార్బన్ బంధాలను సక్రియం చేయడం మరియు మార్చడం సాధ్యమేనా? సమాధానం అవును! ఉత్ప్రేరక రంగంలో ఇది "హోలీ గ్రెయిల్" ప్రతిచర్య. "హోలీ గ్రెయిల్" తో సంబంధం ఉన్న ప్రతిచర్యలు చాలా సవాలుగా ఉంటాయి, ఎందుకంటే అవి చాలా కఠినమైన పరిస్థితులలో నిర్వహించాల్సిన అవసరం ఉంది, లేదా అవి రసాయన ప్రతిచర్య యొక్క స్వాభావిక ఇబ్బందులను అధిగమించాల్సిన అవసరం ఉంది, అధిక స్థిరమైన సమ్మేళనాల క్రియాశీలత, తక్కువ దిగుబడి మరియు తక్కువ సెలెక్టివిటీ. ఈ సవాళ్లు ఈ ప్రతిచర్యలను గ్రహించడం కష్టతరం చేస్తాయి, కాని అవి విజయవంతంగా సాధించగలిగితే, అవి శాస్త్రీయ పరిశోధన మరియు పారిశ్రామిక అనువర్తనాల్లో గణనీయమైన పురోగతికి దారి తీస్తాయి.
1. తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మీథేన్ మార్పిడిలో ఛాలెంజెస్ తక్కువ ఉష్ణోగ్రతలలో లేదా గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద చవకైన ఆక్సిజన్‌తో మీథేన్‌ను నేరుగా ఇతర ఉపయోగకరమైన రసాయనాలకు మార్చడం చాలా కష్టం, అది ఎందుకు? మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్ యొక్క స్వభావాన్ని చూద్దాం. మీథేన్ యొక్క రసాయన నిర్మాణంలో నాలుగు ఒకేలాంటి కార్బన్-హైడ్రోజన్ బాండ్లు (సిహెచ్) ఉన్నాయి, ఇవి అత్యంత సుష్ట ఆర్థోటెట్రాహెడ్రల్ కాన్ఫిగరేషన్‌ను ఏర్పరుస్తాయి మరియు మీథేన్ యొక్క ప్రతి CH3-H బంధం 435 kJ/mol వరకు బాండ్ శక్తిని కలిగి ఉంటుంది. మేము మీథేన్ యొక్క CH బాండ్ గురించి ముఖ్యంగా బలమైన వసంతంగా భావించవచ్చు. ఈ వసంతకాలం చాలా గట్టిగా ఉంది మరియు సాగదీయడానికి చాలా శక్తి అవసరం. కెమిస్ట్రీలో, ఈ "శక్తి" CH బంధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి అవసరమైన శక్తి. ఈ అధిక బంధం శక్తి మీథేన్ యొక్క CH బంధాలను థర్మోడైనమిక్‌గా స్థిరంగా చేస్తుంది మరియు సాధారణ పరిస్థితులలో విచ్ఛిన్నం చేయడం లేదా స్పందించడం చాలా కష్టం. మరోవైపు, రసాయన ప్రతిచర్యలలో, రియాక్టివ్ సమూహాలు సాధారణంగా ధ్రువ పరస్పర చర్యలో ఉత్పత్తి చేయబడతాయి (ధ్రువ సంకర్షణ అనేది ఒక అణువు ఒక చివర సానుకూలంగా వసూలు చేయబడిందని మరియు మరొకటి ప్రతికూలంగా వసూలు చేయబడి ఉంటుంది), అయితే మీథేన్ అణువు యొక్క సుష్ట నిర్మాణం మరియు నాన్‌పోలార్ స్వభావం నిరోధిస్తుంది ఇది అటువంటి ధ్రువణతను ఉత్పత్తి చేయకుండా (పరమాణు ఆకృతీకరణ ప్రకారం, సమరూప విమానం ఉన్న అణువుకు ధ్రువణత లేదు) మరియు రియాక్టివ్ గ్రూపులను అందించదు. అందువల్ల, మీథేన్ యొక్క క్రియాశీలత మరియు మార్పిడి చాలా సవాలుగా ఉంటుంది మరియు సాధారణంగా అధిక ఉష్ణోగ్రతలు (600-1100 ° C) లేదా మీథేన్ యొక్క క్రియాశీలతకు సహాయపడటానికి సూపర్-స్ట్రాంగ్ ఆమ్లాలు మరియు ఫ్రీ రాడికల్స్ వంటి కొన్ని "ఎక్స్‌ట్రీమొఫైల్స్" వంటి కఠినమైన పరిస్థితులు అవసరం. అందువల్ల, మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్ యొక్క తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత క్రియాశీలతను గ్రహించడంలో ప్రధాన ఇబ్బంది మీథేన్ యొక్క CH బంధాన్ని ఎలా సక్రియం చేయాలో ఉంది, అనగా, CH బంధంలో "వసంత" ను ఎలా సాగదీయాలి. 2. ఉత్ప్రేరకం యొక్క అద్భుతం శాస్త్రవేత్తలు ఈ సమస్యకు మంచి పరిష్కారంతో ముందుకు వచ్చారు, మరియు తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద మీథేన్‌ను సక్రియం చేయడంలో సహాయపడటానికి ఉత్ప్రేరకాన్ని ఉపయోగించటానికి ఎంచుకున్నారు (ఉత్ప్రేరకం అనేది ప్రతిచర్యకు ముందు లేదా తరువాత మారని రసాయనం, కానీ కనీస మొత్తాన్ని మార్చడం ద్వారా ప్రతిచర్యను వేగవంతం చేస్తుంది ప్రతిచర్య జరగడానికి ఇంజెక్ట్ చేయాల్సిన శక్తి). 2023 లో, నేచర్ కాటాలిసిస్ జర్నల్ మీథేన్‌ను ఆక్సిజన్‌తో సి 1 ఆక్సైడ్లకు ప్రత్యక్షంగా మార్చే ప్రక్రియపై నివేదించింది (మిథనాల్ (CH3OH), ఫార్మిక్ యాసిడ్ (HCOOH) మరియు మిథైలీన్ గ్లైకాల్ (HOCH2OH)) 25 ° C వద్ద ఉత్ప్రేరకం. మీథేన్ మరియు దాదాపు 100% సి 1 ఆక్సిజనేట్ల మీథేన్ మార్పిడి మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్‌ను పరిసర పరిస్థితులలో విలువైన సి 1 ఆక్సిజనేట్‌లుగా మార్చడం ద్వారా సాధించారు. ఈ MOS2 ఇప్పటివరకు నివేదించబడిన ఏకైక ఉత్ప్రేరకం, ఇది మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్ యొక్క గది ఉష్ణోగ్రత మార్పిడిని గ్రహించగలదు. MOS2 అంచున ఉన్న MO సైట్ యొక్క ప్రత్యేకమైన జ్యామితి మరియు ఎలక్ట్రానిక్ నిర్మాణం దీనికి కారణం. ఈ మో సైట్ సజల వాతావరణంలో ఆక్సిజన్ వైపు అధిక క్రియాశీలత చర్యను కలిగి ఉంది, ఇది మాయా o = mo = o* జాతులను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ జాతి కార్బన్-హైడ్రోజన్ బంధాన్ని విచ్ఛిన్నం చేయడానికి సులభతరం చేస్తుంది మరియు మీథేన్ యొక్క CH బంధం యొక్క క్రియాశీలత శక్తిని తగ్గిస్తుంది, తద్వారా మీథేన్ యొక్క రియాక్టివిటీని బాగా పెంచుతుంది, తద్వారా మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్ యొక్క తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత క్రియాశీలతను గ్రహించవచ్చు. ఈ ఆవిష్కరణ భవిష్యత్ ఇంధన వినియోగం మరియు పర్యావరణ పరిరక్షణకు మరింత అవకాశాలను తెస్తుంది, అలాగే ఉత్ప్రేరకాలు మరియు సహాయకుల యొక్క అద్భుతమైన పాత్ర గురించి లోతైన అవగాహన ఇస్తుంది.
3. మీథేన్ యొక్క తక్కువ-ఉష్ణోగ్రత క్రియాశీలత యొక్క ముఖ్యమైన వ్యూహాత్మక ప్రాముఖ్యత గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద మీథేన్ మరియు ఆక్సిజన్ యొక్క ప్రత్యక్ష ఉత్ప్రేరక మార్పిడిని గ్రహించడం మరియు సహజ వాయువులో మీథేన్‌ను ఇతర ఉపయోగకరమైన రసాయనాలుగా మార్చడం, సహజ వాయువు యొక్క వినియోగ రేటును బాగా మెరుగుపరుస్తుంది, వ్యర్థాలను తగ్గిస్తుంది మరియు పర్యావరణాన్ని బాగా రక్షించగలదు మరియు శక్తి యొక్క స్థిరమైన అభివృద్ధిని గ్రహించగలదు. . రెండవది, గ్రీన్హౌస్ వాయువుగా, గ్లోబల్ వార్మింగ్‌కు దాని సహకారంలో మీథేన్ కార్బన్ డయాక్సైడ్‌కు రెండవ స్థానంలో ఉంది. మీథేన్‌ను ఇతర పదార్ధాలుగా మార్చగలిగితే, వాయు కాలుష్య కారకాల ఉద్గారాలను తగ్గించడానికి ఇది మాకు సహాయపడుతుంది (ఉదా.
