Вещества,
не расходующиеся в результате протекания
реак­ции, но влияющие на ее скорость,
называются
катализаторами.

Явление
изменения скорости реакции под действием
таких ве­ществ называется
катализом.
Реакции
под действием катализа­торов
называются
каталитическими.

В
большинстве случаев действие катализатора
объясняется тем, что он снижает энергию
активации (рис. 3.2). В присутствии
катализатора реакция проходит через
другие промежуточные стадии, причем
эти стадии энергетически более доступны.
Иначе говоря, в присутствии катализатора
возникают другие активиро­ванные
комплексы, для образования которых
требуется меньше энергии, чем для
образования комплексов, возникающих
без катализатора. Таким образом, энергия
активации понижается; некоторые молекулы,
энергия которых была недостаточна для
активных столкновений, теперь оказываются
активными.

Под
влиянием катализаторов реакции могут
ускоряться в миллионы раз и более. В
некоторых случаях под действием
катализаторов могут возбуждаться такие
реакции, которые без них в данных условиях
практичес­ки не протекают.

В
зависимости от того, однородна или
неоднородна среда, в ко­торой протекает
каталитическая реакция, различают два
вида катализа: гомогенный и гетерогенный.

При
гомогенном
катализе
и
катализатор, и реагенты находятся в
одной фазе, газовой или растворе.

При
гетерогенном
катализе
катализатор
и реагенты находятся в разных фазах,
например газообразная реакционная
смесь и твердый катализатор.

Гомогенный
катализ, как правило, связан с образованием
ре-акционноспособных промежуточных
соединений. Примером гомо­генного
катализа может служить окисление
сернистого ангидрида до серного в
присутствии оксидов азота. Механизм
реакции сле­дующий. Молекула N0 легко
присоединяет кислород:

NO
+1
2O2
NO2

Образовавшаяся
молекула отдает кислород на окисление
сернистого газа:

NO2
+
SO2
SO3
+
NO

Регенерированная
молекула N0 снова присоединяет кислород
и окисляет и т. д.

К
гомогенному катализу можно отнести и
влияние раство­рителя на ход реакции
в растворах. Обычно каталитическое
действие растворителя тем сильнее, чем
полярнее его молеку­лы. Это можно
объяснить деформацией молекул реагирующих
веществ под влиянием растворителя,
вследствие чего повыша­ется их
реакционная способность.

При
гетерогенном катализе реакция протекает
на поверхности катализатора, поэтому
особую роль играют площадь поверхности,
состав и структура поверхностного слоя
катализатора. В свою оче­редь структура
катализатора зависит от способа его
приготовле­ния, в частности — от
термической обработки. Наилучшими
каталитическими свойствами обычно
обладают катализаторы, приготов­ленные
при возможно более низкой температуре
и потому имеющие несовершенную
кристаллическую структуру и большую
удельную поверхность. Поэтому катализаторы,
основу которых составляют оксиды, чаще
всего готовят разложением гидроксидов
или разла­гающихся при низких
температурах солей – оксалатов, нитратов
и т. д., а катализаторы на базе металлов
– восстановлением их со­единений
водородом. Так, часто применяемый в
качестве катали­затора оксид алюминия
получают обезвоживанием гидроксида
при температуре не выше 400 °С. Никелевые
катализаторы, которые используются в
реакциях гидрирования, получают
восстановлени­ем гидроксида никеля
водородом при 300 °С, если температура
более высокая, то активность катализатора
понижается.

Обычно
каталитическим действием обладает не
вся поверх­ность катализатора, а лишь
незначительная часть ее — так на­зываемые
активные
центры.
Есть
вещества – “каталитические яды”,
которые, попадая на катализатор, выводят
его из строя, “отравляют” его.
Например, платиновые катализаторы
отрав­ляются соединениями Аs,
Sе,
Те. Отравление катализатора про­исходит
под действием очень небольших количеств
каталитиче­ских ядов, достаточных
для блокирования (путем прочной ад­сорбции
или химического взаимодействия) лишь
активных центров. В качестве каталитических
ядов могут выступать не только посторонние
для данной реакции вещества. Ими могут
быть и продукты самой катализируемой
реакции в том случае, если они прочно
адсорбируются на поверхности катализатора
и закрывают доступ к ней молекулам
реагирующих веществ.

Наконец,
есть универсальные
катализаторы,
применимые
к самым разнообразным реакциям. Так,
платина может катали­зировать как
реакции окисления (например, SО2
до SОз),
так и реакции гидрирования (например,
этилена), хотя по возможно­сти ее
стараются заменять более дешевыми
веществами.

Высокой
специфичностью отличаются
ферменты

белковые вещества, являющиеся
катализаторами биохимических процессов
(биокатализаторы).
С
точки зрения деления катализаторов на
гомогенные и гетерогенные ферменты
занимают промежуточное положение,
поскольку представляют собой макромолекулы.
Так, фермент нитрогеназа, ответственный
за фиксацию атмосферного азота
клубеньковыми бактериями, имеет
молекулярную массу около 350 000 — в пять
раз больше, чем гемоглобин. В организме
человека действует несколько десятков
тысяч ферментов, катали­зирующих
специфические реакции. В современной
биотехнологии внедряется использование
иммобилизованных
ферментов
— закре­пленных на полимерном носителе;
это позволяет проводить процесс по
хорошо отработанной технике гетерогенного
катализа.

Некоторые
катализаторы способны катализировать
целую группу однотипных реакций, т. е.
обладают
групповой
специ­фичностью.
Например,
оксид ванадия может служить ката­лизатором
для реакций окисления оксида серы,
аммиака и других веществ. Никель является
хорошим катализатором для реакций
гидри­рования (присоединения водорода).

В
качестве катализатора могут выступать
продукты самой реакции – такое явление
носит название
автокатализа.
Напри­мер,
реакция окисления щавелевой кислоты
перманганатом калия ускоряется по
мере того, как в системе накапливается
продукт реакции – ионы Мп2+,
играющие роль катализатора.

Присутствие
посторонних веществ может не только
ускорять, но и замедлять реакции. Такое
явление иногда называют
отрица­тельным
катализом,
а
соответствующее вещество –
ингибитором.
Действие
ин­гибиторов сводится к дезактивации
либо “положительных” катали­заторов,
либо активных частиц реагентов и
промежуточных продук­тов, например
свободных радикалов в цепных реакциях.
При этом ингибитор претерпевает
химические превращения – следовательно,
термин “отрицательный катализ” не
вполне точен. Ингибиторы используются
на практике для защиты металлов от
коррозии (инги­биторы коррозии), а
также для стабилизации малоустойчивых
ве­ществ. Так, активными катализаторами
разложения пероксида во­дорода
являются соединения меди, железа,
марганца и других ме­таллов, которые
легко могут попасть в нее в производственных
условиях. Для связывания этих металлов
в нерастворимые соедине­ния к пероксиду
водорода добавляют в качестве стабилизатора
не­большое количество фосфатов,
которые играют роль ингибиторов.

11

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Катализаторы — вещества, которые ускоряют химическую реакцию.

При этом сами катализаторы не расходуются в ходе реакции.

Противоположны по действию катализаторам ингибиторы — вещества, которые замедляют химическую реакцию.

Явление изменения скорости реакции в присутствии катализаторов называется катализом.

Каталитические реакции — реакции, протекающие с участием катализаторов.

Механизм действия катализаторов связан с изменением пути суммарной реакции благодаря образованию промежуточных соединений с катализатором.

3 (1).png

Рис. \(1\). Изменение энергии в ходе химической реакции

Промежуточные соединения имеют меньшую энергию активации, что значительно позволяет повысить скорость реакции.

Катализ может быть гомогенным и гетерогенным.

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одинаковом агрегатном состоянии.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях.

Катализ широко используется в промышленности и широко распространён в природе.

Важную роль в живых организмах играют ферменты, которые являются биологическими катализаторами. В отличие от неорганических катализаторов они имеют особую специфичность и действуют в более «мягких» условиях.

Источники:

Рис. 1. Изменение энергии  в ходе химической реакции © ЯКласс

Вещества, как и люди, могут передвигаться пешком, а могут ездить на такси. О том, как это происходит, расскажем в этой статье.

На этой странице вы узнаете

  • Катализатор – ваш лучший друг?
  • Что общего у реагентов и продавцов-консультантов из магазина одежды?
  • Можно ли пантеру превратить в черепаху? 

Химические реакции на ускорении

Скорость химической реакции – быстрота её протекания. То есть она показывает, насколько быстро расходуются реагенты и образуются продукты.

Важно понять, от чего может зависеть скорость химической реакции. Есть шесть основных факторов:

  • наличие катализатора,
  • температура,
  • концентрация реагентов,
  • давление,
  • площадь соприкосновения реагентов,
  • природа реагентов.

От чего зависит скорость реакции

  1. От наличия катализатора (k)

Всё понятно, кроме одного: что же такое катализатор?

Катализатор – вещество, которое ускоряет реакцию, но не расходуется в процессе.

Катализатор ваш лучший друг?

Представьте, что вы пришли на вечеринку, где никого не знаете. Как вы себя чувствуете? Наверное, немного неловко. 
Вы решили вспомнить и рассказать несколько анекдотов. Общаться будет намного проще, то есть юмор послужил ускорителем вашего разговора  с кем-то. Но запас шуток имеет свойство заканчиваться, поэтому назвать его катализатором мы не можем!
Теперь давайте представим, что на вечеринке вы встретили лучшего друга. Вдвоём легче знакомиться, не так страшно, согласитесь. Получается, что друг – катализатор вашего общения с кем-то, ведь он не расходуется в процессе в отличие от запаса анекдотов!

У катализатора есть своя реакция, которую он вызывает. Каталитическая реакция – это реакция которая протекает быстрее обычной за счет использования катализатора.

Если перевести это на человеческий язык, то люди пешком (без катализатора) идут медленнее, чем едут на такси (с катализатором). 

У катализатора есть двойник с абсолютно обратными характеристиками – ингибитор. Раз катализатор увеличивает скорость реакции, значит, ингибитор будет её уменьшать. 

Важно! Если реакция некаталитическая, то добавление катализатора не будет влиять на скорость реакции.

  1. От температуры (t)

Важно понимать, что молекулы/частицы при нагревании начинают быстрее двигаться и чаще сталкиваться.

Представим, что мы лежим на пляже. Если погода облачная, то нам тепло, а если погода ясная, нам становится жарче (увеличивается температура тела), и тем быстрее мы загораем или обгораем (скорость реакции увеличивается).

  1. От концентрации реагентов

Уточнение: только для жидкостей и газов

Важно! Понятие концентрации распространяется только на газы и жидкости, то есть добавление твердого вещества обычно не влияет на скорость реакции.

Почему добавление твердого вещества чаще всего не влияет на скорость реакции?

Потому что при добавлении твердого вещества увеличение концентрации реагента не произойдет. А без реагентов реакция не захочет разогнаться и скорость останется неизменной.

  1. От давления 

Уточнение: только для газов

Важно! Так как газы – это единственные по агрегатному состоянию вещества, которые способны распределяться по всему объему реакционного сосуда, то изменение давления будет влиять только на них. 

Значит, если в реагентах есть хотя бы один газ изменение давления будет влиять на скорость реакции.

Как связаны между собой давление и объем?

Это две противоположные величины:

  • увеличение давления = уменьшение объема;
  • уменьшение давления = увеличение объема.

Как это запомнить? Специально для этого мы приготовили простую картинку. Просто уделите ей минутку внимания, и всё уложится в голове.

  1. От площади соприкосновения реагентов = степени измельчения

Уточнение: только если в реагентах есть хотя бы одно твердое вещество

Давайте наглядно посмотрим на реакцию между цинком и соляной кислотой. В первом стакане будет протекать медленнее, чем во втором. 

Что общего у реагентов и магазина одежды?

Чтобы понять реакцию, вернемся ненадолго в человеческий мир. Представим, что мы попали на распродажу в магазин одежды. Сотня людей (много молекул кислоты) пришла за новой одеждой. А в этом центре работает только один продавец-консультант (кусок цинка). Люди будут очень долго ждать своей очереди и возможности задать вопрос, попросить нужный размер, примерить одежду. Это будет очень медленно. Если же в этом же центре будет работать 40 специалистов (порошок цинка, состоящий из 40 мелких частиц), то люди (соляная кислота) намного быстрее получат помощь!

Перемешивание веществ тоже увеличит скорость реакции за счет увеличения скорости соприкосновения веществ. 

Чтобы это понять, достаточно представить чай. Если туда добавить ложку сахара и не перемешивать его, равномерное распределение сахара по стакану будет происходить очень медленно. Однако если размешать его ложкой, то скорость возрастет!

  1. От природы реагентов

При реакции воды с металлами скорость реакции уменьшается с уменьшением активности металла. То есть активнее всего с водой будут реагировать именно щелочные металлы.

У людей всё также. Скорость поиска друзей или работы зависит от активности человека. Чем более активный человек, тем быстрее он достигнет цели. 

Еще нужно помнить, что быстрее всего протекают реакции между газами и между растворами.

А можно ли пантеру превратить в черепаху при помощи химии?
 
Можно, и это даже не магия. Для этого всего лишь нужно замедлить скорость реакции. Это можно сделать путем добавления ингибитора, уменьшения температуры, концентрации реагентов, давления, площади соприкосновения веществ, а также снижения активности реагентов.

Фактчек

  • Скорость химической реакции – быстрота её протекания. То есть она показывает, насколько быстро расходуются реагенты и образуются продукты.
  • Скорость абсолютно всех реакций зависит от температуры и от природы реагентов.
  • Скорость некоторых реакций зависит ещё от нескольких факторов:
  • газы зависят от давления и объема реакционного сосуда;
  • катализатор применим только для каталитических реакций;
  • концентрация вещества влияет чаще всего только на жидкости и газы;
  • площадь соприкосновения реагентов – только на те реакции, где есть хотя бы один твердый реагент.

Проверь себя

Задание 1.
Что произойдет со скоростью реакции при увеличении концентрации водорода в следующей реакции: H2 + Cl2 = 2HCl

  1. Увеличится
  2. Уменьшится
  3. Не изменится

Задание 2.
Какой фактор не влияет на скорость реакции: 6Li +N2 = 2Li3N

  1. Давление
  2. Добавление катализатора
  3. Температура
  4. Площадь поверхности соприкосновения веществ

Задание 3.
Какой фактор влияет на скорость реакции: NaOH + HCl = NaCl + H2O

  1. Давление
  2. Разбавление смеси водой
  3. Добавление катализатора
  4. Площадь поверхности соприкосновения веществ

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 2.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *