Теоретическое введение. Катализаторами называются вещества, увеличивающие скорость химических реакций

Катализаторами называются вещества, увеличивающие скорость химических реакций, но сами остающиеся после нее химически неизменными. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Катализатор бывает гомогенный и гетерогенный. Если катализатор и реагирующие вещества находятся в одном фазовом состоянии, то катализ называют гомогенным. Механизм гомогенного катализа объясняется возникновением при участии катализатора нестойких промежуточных соединений. При этом энергия активации понижается и активными становятся молекулы, энергия которых была недостаточна для осуществления реакции без катализатора. Например, реакция

2SO₂ (г) + O₂ (г) → 2SO₃ (г)

протекает с малой скоростью. Для увеличения скорости реакцию проводят в присутствии катализатора NO, который с одним из реагентов, а именно с О₂, образует нестойкое промежуточное соединение NO₂, взаимодействующее в свою очередь с другим реагентом SO₂:

О₂ (г) + 2NO (г) → 2NO₂ (г)

2NO₂ (г) + 2SO₂ (г) → 2SO₃ (г) + 2NO (г)

О₂ (г) + 2SO₂ (г) → 2SO₃ (г).

Как видим, в суммарное уравнение реакции катализатор не входит, т.е. в результате реакции он не испытывает химическое превращение.

Если катализатор и взаимодействующие вещества находятся в разных фазовых состояниях, т. е. имеют границу раздела, то катализ называют гетерогенным. В этом случае катализаторами обычно являются твердые вещества, на поверхности которых реагируют жидкости или газы. Суммарная скорость реакции на твердом катализаторе зависит от площади его поверхности, поэтому для ускорения реакции применяют катализаторы с развитой поверхностью: тонко измельченные порошки или подложки (пористые угли, силикаты) с нанесенным тонким слоем катализатора. Гетерогенные каталитические реакции начинаются со стадии адсорбции, в результате которой разрываются или ослабляются химические связи в молекулах реагирующих веществ, и молекулы становятся активными.

Выполнение работы

Опыт 1. Гомогенный катализ. Каталитическое ускорение реакции разложения пероксида водорода

Налить в пробирку 10 мл 30 %-го раствора (по массе) пероксида водорода. Опустить в пробирку, не касаясь раствора, тлеющую лучинку. Объяснить, почему она не вспыхивает.

В коническую колбу налить 10 мл 0,01 М раствора молибдата натрия Na₂MoO₄ и затем постепенно прилить 10 мл пероксида водорода. Наблюдать изменение окраски раствора и выделение пузырьков газа. Для завершения реакции смесь слегка нагреть и при помощи тлеющей лучинки убедиться в наличии кислорода в колбе.

Требования к результату опыта

1. Объяснить наблюдения, приняв во внимание следующие реакции между молибдатом натрия и пероксидом водорода:

4H₂O₂ + Na₂MoO₄ → Na₂MoO₈ + 4H₂O

Na₂MoO₈ → Na₂MoO₄ + 2O₂

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂.

2. Объяснить роль молибдата натрия.

Опыт 2. Гетерогенный катализ. Каталитическое действие диоксида

марганца на разложение пероксида водорода

Налить в пробирку 1–2 мл 30 %-го (по массе) раствора пероксида водорода. С помощи тлеющей лучинки убедиться в отсутствии кислорода. Внести в раствор на кончике шпателя диоксид марганца. Что наблюдается? Убедиться с помощью тлеющей лучинки в наличии кислорода.

Требование к результату опыта

1. Написать уравнение реакции разложения пероксида водорода.

2. Объяснить, почему катализатор увеличивает скорость реакции.

Примеры решения задач

Пример 5.1.Промышленная установка, работающая на ванадиевом катализаторе (V₂O₅), производит в сутки 30000 кг моногидрата H₂SO₄. Объем катализатора в установке 0,7 м³. Рассчитать активность катализатора.

Решение. Мерой активности катализатора является изменение скорости химической реакции в результате введения в систему катализатора. Количественно активность катализатора оценивается производительностью катализатора (A_k). Под производительностью катализатора подразумевают количество вещества, получающееся в единицу времени с единицы площади поверхности (S_k), массы (m_k) или объема (V_k) катализатора. Производительность катализатора равна

,

где m − масса получаемого вещества; τ − время протекания процесса.

Для определения производительности катализатора выразим время в часах:

A_k = = 1785,7 кг/(м³∙час).

Таким образом, активность ванадиевого катализатора при получении моногидрата H₂SO₄ равна 1785,7 кг/(м³∙час).

Пример 5.2.Энергия активации некоторой реакции без катализатора равна 75,24 кДж/моль, а с катализатором – 50,14 кДж/моль. Во сколько раз возрастет скорость реакции в присутствии катализатора, если реакция протекает при 25 °С?

Решение. Обозначим энергию активации реакции без катализатора через E_a, а с катализатором – через E_a^/, соответствующие константы скорости реакции обозначим через k и k^/ . Для решения задачи используем преобразованное уравнение Аррениуса: .

Подставляя в это уравнение данные задачи, выражая энергию активации в джоулях и учитывая, что Т = 298 К, получим

.

Окончательно находим k^//k = 2,5∙10⁴. Таким образом, снижение энергии активации на 25,1 кДж привело к увеличению скорости реакции в 25 тысяч раз.