Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

КАТАЛОЗІ І КАТАЛІЗАТОРИ

Швидкості хімічних реакцій можуть різко збільшуватися в присутності різних речовин, які не є реагентами і не входять до складу продуктів реакції. Це чудове явище отримало назву каталіз (від грец. «Katalysis» - руйнування). Речовина, при наявності якого в суміші збільшується швидкість реакції, називається каталізатором. Його кількість до і після реакції залишається незмінним. Каталізатори не уявляють собою якийсь особливий клас речовин. У різних реакціях каталітична дія можуть проявити метали, оксиди, кислоти, солі, комплексні сполуки. Хімічні реакції в живих клітинах протікають під контролем каталітичних білків, званих ферментами.Каталозі слід розглядати як істинно хімічний фактор збільшення швидкостей хімічних реакцій, так як каталізатор бере безпосередню участь в реакції. Каталозі часто виявляється більш потужним і менш ризикованим засобом прискорення реакції, ніж підвищення температури. Це яскраво проявляється на прикладі хімічних реакцій в живих організмах. Реакції, наприклад гідроліз білків, які в лабораторіях доводиться проводити при тривалому нагріванні до температури кипіння, в процесі травлення протікають без нагрівання при температурі тіла.

Вперше явище каталізу спостерігав французький хімік Л. Ж. Тенар (1777-1857) в 1818 р Він виявив, що оксиди деяких металів при внесенні в розчин перекису водню викликають її розкладання. Такий досвід легко відтворити, внісши кристали перманганату калію в 3% -ний розчин перекису водню. Сіль КМп0 4 перетворюється в МП0 2 , і з розчину під дією оксиду швидко виділяється кисень:

Безпосередньо дію каталізатора на швидкість реакції пов'язано зі зниженням енергії активації. При звичайній температурі зниження? а на 20 кДж / моль збільшує константу швидкості приблизно в 3000 разів. Зниження Е Л може бути і значно сильнішим. Однак зниження енергії активації є зовнішнім проявом дії каталізатора. Реакція характеризується певним значенням E. v яке може змінитися тільки при зміні самої реакції. Даючи ті ж самі продукти, реакція за участю доданого речовини йде іншим шляхом, через інші стадії і з іншого енергією активації. Якщо на цьому новому шляху енергія активації виявляється нижче і реакція відповідно йде швидше, то ми говоримо, що его речовина є каталізатором.

Каталізатор взаємодіє з одним з реагентів, утворюючи деякий проміжний з'єднання. На одній з наступних стадій реакції каталізатор регенерується - виходить з реакції в первісному вигляді. Реагенти, беручи участь в каталітичної реакції, продовжують взаємодіяти між собою і по повільному шляху без участі каталізатора. Тому каталітичні реакції відносяться до різновиду складних реакцій, званих послідовно-паралельними. На рис. 11.8 показана залежність константи швидкості від концентрації каталізатора. Графік залежності не проходить через нуль, так як при відсутності каталізатора протікання реакції не припиняється.

Залежність константи швидкості від концентрації каталізатора

Мал. 11.8. Залежність константи швидкості від концентрації каталізатора:

спостережувана константа k виражається сумою k u + & до с (К)

Приклад 11.5. При температурі -500 ° С реакція окислення оксиду сірки (1У)

що є однією з стадій промислового отримання сірчаної кислоти, йде дуже повільно. Подальше підвищення температури неприйнятно, тому що рівновага зміщується вліво (реакція екзотермічна) і вихід продукту занадто сильно знижується. Але ця реакція прискорюється різними каталізаторами, одним з яких може бути оксид азоту (П). Спочатку каталізатор реагує з киснем:

а потім передає атом кисню оксиду сірки (1У):

Так утворюється кінцевий продукт реакції і регенерується каталізатор. Для реакції відкрилася можливість течії по новому шляху, на якому константи швидкості значно зросли:

На наведеній схемі показані обидва шляхи процесу окислення S0 2 . При відсутності каталізатора реакція йде тільки по повільному шляху, а в присутності каталізатора по обом.

Розрізняють два види каталізу - гомогенний і гетерогенний. У першому випадку каталізатор і реагенти утворюють гомогенну систему у вигляді газової суміші або розчину. Приклад окислення оксиду сірки - це гомогенний каталіз. Швидкість гомогенної каталітичної реакції залежить як від концентрацій реагентів, так і від концентрації каталізатора.

При гетерогенному каталізі каталізатор являє собою тверду речовину в чистому вигляді або нанесене на носій. Наприклад, платина в якості каталізатора може бути закріплена на азбест, оксиді алюмінію і т.д. Молекули реагенту адсорбуються (поглинаються) з газу або розчину на особливих точках поверхні каталізатора - активних центрах і при цьому активуються. Після хімічного перетворення утворилися молекули продукту десорбируются з поверхні каталізатора. На активних центрах повторюються акти перетворення частинок. Крім інших факторів, швидкість гетерогенної каталітичної реакції залежить від площі поверхні каталітичного матеріалу.

Гетерогенний каталіз особливо широко застосовується в промисловості. Це пояснюється легкістю здійснення безперервного каталітичного процесу при проходженні суміші реагентів через контактний апарат з каталізатором.

Каталізатори діють вибірково, прискорюючи цілком певний вид реакцій або навіть окрему реакцію і не впливаючи на інші. Це дозволяє використовувати каталізатори не тільки для прискорення реакцій, а й для цілеспрямованого перетворення вихідних речовин в бажані продукти. Метан і вода при 450 ° С на каталізаторі Fe 2 0 3 перетворюються на вуглекислий газ і водень:

Ті ж речовини при 850 ° С на поверхні нікелю реагують з утворенням оксиду вуглецю (П) і водню:

Каталозі відноситься до тих областям хімії, в яких поки неможливо робити точні теоретичні прогнози. Всі промислові каталізатори для переробки нафтових продуктів, природного газу, виробництва аміаку і багато інших розроблені на основі трудомістких і тривалих експериментальних досліджень.

Уміння управляти швидкостями хімічних процесів має неоціненне значення в господарській діяльності людини. При промисловому одержанні хімічних продуктів зазвичай необхідно збільшувати швидкості технологічних хімічних процесів, а при зберіганні продукції потрібно зменшувати швидкість розкладання або впливу кисню, води і т.д. Відомі речовини, які можуть уповільнювати хімічні реакції. Вони називаються інгібіторами , або негативними каталізаторами. Інгібітори принципово відрізняються від справжніх каталізаторів тим, що реагують з активними частками (вільними радикалами), які з тих чи інших причин виникають в речовині або навколишнього його середовищі і викликають цінні реакції розкладання і окислення. Інгібітори поступово витрачаються, припиняючи своє захисну дію. Найбільш важливою різновидом інгібіторів є антиоксиданти, які захищають різні матеріали від впливу кисню.

Слід нагадати і про те, чого не можна домогтися за допомогою каталізаторів. Вони здатні прискорювати тільки мимовільні реакції. Якщо реакція мимоволі не йде, то каталізатор не зможе її прискорити. Наприклад, ніякої каталізатор не може викликати розкладання води на водень і кисень. Цей процес можна здійснити тільки електролізом, витрачаючи при цьому електричну роботу.

Каталізатори можуть активізувати і небажані процеси. В останні десятиліття спостерігається поступове руйнування озонового шару атмосфери на висоті 20-25 км. Передбачається, що в розпаді озону беруть участь деякі речовини, наприклад галогеновані вуглеводні, що викидаються в атмосферу промисловими підприємствами, а також використовувані в побутових цілях.

 
<<   ЗМІСТ   >>