Лабораторная работа «катализ»
Цель работы: ознакомиться на конкретных примерах с химическими процессами, протекающими в присутствии катализаторов
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Общие сведения о катализе
Известны факты, когда присутствие даже незначительных количеств посторонних, на первый взгляд, веществ оказывает влияние на скорость химического взаимодействия. Так, при получении кислорода из бертолетовой соли добавление двуокиси марганца резко увеличивает скорость разложения KClO3:
2KClO3 = 2KCl + 3O2.
Та же двуокись марганца ускоряет разложение перекиси водорода на кислород и воду:
2H2O2 = 2H2O + O2.
Во всех перечисленных случаях присутствие некоторых особых веществ способствует возрастанию скорости химической реакции. Наряду с этим в химии известны и такие случаи, когда посторонние вещества замедляют химическое взаимодействие.
Например, общеизвестна активность, с которой протекает взаимодействие соляной, серной и других кислот с такими металлами, как железо, цинк, алюминий. Добавление к кислоте уротропина заметно снижает скорость этого взаимодействия, а иногда и совсем прекращает его. Вещества, которые изменяют скорость химических реакций, называются катализаторами; по сравнению с обычными химическими реактивами они характеризуются рядом особенностей:
а) катализаторы способны изменять скорость данного химического процесса, присутствуя в реакционной системе даже в чрезвычайно малых количествах;
б) действие катализаторов специфично, т.е. вещество, ускоряющее протекание данной химической реакции, может оказаться совершенно неэффективным для другой (эта особенность чрезвычайно сильно проявляется у биологических катализаторов —
ферментов);
в) по окончании реакции катализаторы находятся в числе ее продуктов в неизменном состоянии, количестве и могут быть вновь применены в качестве катализаторов без какой-либо регенерации, специальной очистки;
г) катализатор не изменяет состояния химического равновесия, а лишь ускоряет (или замедляет) скорость, с которой достигается это состояние. Константа равновесия обратимой реакции имеет одинаковое значение как в присутствии катализатора, так и без него.
В ряде случаев смесь двух катализаторов оказывает значительно большее влияние на скорость реакции, чем каждый из катализаторов в отдельности. Поэтому часто применяют смешанные катализаторы.
Иногда добавление малого количества вещества приводит к значительному увеличению каталитической активности катализатора. Такие вещества называются промоторами. Например, синтез аммиака осуществляется на железном катализаторе, промотированном малыми количествами K2O и Al2O3.
Явление изменения скорости течения химических реакций под действием веществ, именуемых катализаторами, называется катализом.
Катализ — наиболее эффективный метод интенсификации промышленных химических процессов. От развития катализа в значительной мере зависит прогресс не только химической, но и других отраслей экономики. Осуществление многих экономически выгодных процессов (при условии того, что они термодинамически возможны) неразрывно связано с изысканием достаточно активных катализаторов. Это открывает пути к получению новых материалов, реализации более совершенных технологических схем, использованию более доступных сырьевых ресурсов, решению задач охраны окружающей среды (например, при очистке сточных вод и газовых выбросов).
Если катализатор ускоряет химическую реакцию, то катализназывают положительным, а если замедляет — отрицательным. Отрицательный катализ называют ингибированием, а вещества, приводящие к замедлению реакции — ингибиторами.
В современных (особенно в крупнотонажных) химических производствах широко используется положительный катализ. Отрицательный катализ применяется в случаях необходимости замедления или полного подавления нежелательных побочных реакций.
Различают гомогенный, гетерогенный и биокатализ. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу. В случае гетерогенного катализа катализатор находится в системе в виде самостоятельной фазы.
В животном и растительном мире каталитические реакции осуществляются с помощью биокатализаторов, именуемых ферментами — высокомолекулярными веществами белкового происхождения. Такой катализ называется биокатализом.
Гомогенный катализ
Явление гомогенного катализа объясняется теорией промежуточных соединений. Согласно этой теории катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя с ним непрочное промежуточное соединение; последнее энергично взаимодействует с другим компонентом реакционной смеси, причем катализатор восстанавливается. Сказанное можно представить следующими схематическими уравнениями (молекулу катализатора обозначим Kat):
| Исходный химический процесс | Стадии процесса с участием катализатора |
| А + В = АВ | 1. Образование нестойкого промежуточного соединения Kat + А = KatА 2. Взаимодействие промежуточного соединения KatА с компонентом В реакционной смеси KatА + В = АВ + Kat |
Рассмотрим конкретные примеры гомогенного катализа, подтверждающие теорию промежуточных соединений.
Пример 1. Реакция окисления SO2 в SO3 протекает по уравнению:
2SO2 + O2 = 2SO3.
Без катализатора эта реакция в обычных условиях идет медленно. В присутствии катализатора оксида азота (I) процесс разбивается на стадии:
1) 2NO + O2 = 2NO2
2) NO2 + SO2 = SO3 + NO.
Пример 2. Перекись водорода в водных растворах самопроизвольно, но медленно разлагается на кислород и воду:
2H2O2 = 2H2O + O2.
В присутствии катализатора K2Cr2O7 (водный раствор) скорость разложения H2O2 резко увеличивается, процесс протекает в две стадии:
1) 2H2O2 + K2Cr2O7 = K2Cr2O9 + 2H2O
2) K2Cr2O9 = K2Cr2O7 + O2.
Приведенные выше примеры показывают, что катализатор не входит в химический состав конечных продуктов реакции. Он сохраняется в прежнем количестве (как видно из уравнений для второй стадии каждого из каталитических процессов) и в состоянии образовывать нестойкие промежуточные соединения с новыми порциями исходных веществ.
Гетерогенный катализ
Гетерогенные каталитические реакции протекают на поверхности катализатора. Поэтому твердые катализаторы обычно используются в мелкораздробленном состоянии, чтобы соприкосновение между ними и реагирующими веществами было возможно большим. Если это условие выполнено, то иногда достаточно простого контакта между катализатором и веществами для огромного увеличения скорости реакции. Так, платина, взятая в виде пластинки, повышает скорость реакции в сотни раз меньше, чем та же масса металла в виде мелкого порошка. Поэтому в каталитических процессах не применяют катализатор в виде больших кусков, а наносят его в мелкораздробленном состоянии на какие-нибудь пористые или рыхлые тела (так называемые носители). Очень часто применяют, например, платинированный асбест. В качестве носителей служат также неглазированный фарфор, глина и т.д.
Для объяснения механизма гетерогенного катализа используют понятие о явлении адсорбции*. Главное положение теории адсорбции состоит в том, что при адсорбции вещества его молекулы становятся более активными, так как при прикреплении атомов, составляющих адсорбируемую молекулу, к существующим активным центрам поверхности нарушается геометрия молекулы, изменяются длины связей и углы между ними. Из-за нарушения структуры молекулы связи между атомами ослабевают. Иногда адсорбированные молекулы диссоциируют на отдельные атомы, отличающиеся большой химической активностью.
Рассмотрим процесс в общем виде. Предположим, что реакция
АВ + СD = АС + ВD
идет на поверхности катализатора Kat, и на ней адсорбируются молекулы АВ. Тогда между Kat и АВ возникнут химические связи
Kat — А или Kat — В. В обоих случаях химическая связь А — В станет более слабой. Следовательно, молекулы АВ станут более активными, и скорость реакции между ними и молекулами СD увеличится. Такое же объяснение применимо, если адсорбироваться будут не молекулы АВ, а СD или те и другие вместе. Возможно также образование на поверхности катализатора нестойких промежуточных соединений Kat — АВ или Kat — СD подобно тому, как это имеет место в гомогенном катализе.
Примером гетерогенного катализа может служить окисление сернистого газа кислородом (катализатор платина). Платина адсорбирует кислород, одновременно ослабляя связь между атомами кислорода. Кислород становится более активным, благодаря чему окисление SO2 может протекать более энергично по уравнению:
2SO2 + O2 = 2SO3.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Содержание работы:
После ознакомления с теоретическим материалом выполнить нижеприведенные опыты, записать наблюдения и уравнения реакций, записать вывод о соответствии наблюдаемых явлений теоретическим положениям о свойствах катализаторов.