ЕН.01 Химия
Тема: Теория катализа. Катализаторы
Вид учебного занятия: лекция
Цель учебного занятия: Ознакомится с понятием катализ и катализаторы, факторами, влияющими на каталитические реакции.
План лекции
- Классификация каталитический реакций
- Факторы влияющие на каталитические реакции
Каталитические реакции чрезвычайно распространены в природе. Большинство биологических процессов катализируется и регулируется особыми веществами – ферментами. Более 90% всей продукции на химических предприятиях основаны на катализе. Это полимеризация, крекинг нефти и многие другие процессы.
Катализ – процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствии веществ, называемых катализаторами.
Катализаторы – вещества, изменяющие скорость химической реакции, которые могут участвовать в реакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в состав конечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.
Катализаторами могут быть самые разнообразные вещества в любом из трех агрегатных состояний: кислоты, соли, основания, оксиды, металлы, различные органические и органоминеральные соединения, газообразные вещества. В ряде случаев каталитическое действие оказывают всевозможные примеси (например, пыль), поверхность стенок сосуда, а также продукты реакций.
Классификация каталитических реакций
1) Положительный и отрицательный катализ.
Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает. Отрицательным (или ингибированием) называют катализ, при котором скорость реакции убывает. Вещество, в присутствии которого скорость уменьшается, называется ингибитором.
Например, добавление двуокиси марганца MnO2 к раствору перекиси водорода H2O2 резко ускоряет ее разложение, а при небольших количествах ацетанилида придают ее концентрированному раствору устойчивость.
2) Автокатализ.
В этом случае катализатором может быть один из продуктов реакции. Примеры автокаталитической реакции:
· восстановление окиси железа водородом FeO + H2=Fe + H2O катализируется Fe.
· омыление уксусноэтилового эфира в нейтральном растворе:
CH3COOC2H5 + H2O=CH3COOH + C2H5OH
Катализатором является уксусная кислота, точнее ионы водорода H+.
3) Гомогенный и гетерогенный катализ.
Гомогенным называется катализ, когда катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе (т. е. образуют однородную систему).
Например:
· окисление CO до CO2 в присутствии паров воды:
CO (г) + O2(г) = CO2(г)
· окисление SO2 до SO3 в присутствии NO:
SO2 + O2 = SO3.
При гетерогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Чаще всего катализатором является твердое тело, а реагирующие вещества находятся в жидком или газообразном состоянии и реакция протекает на поверхности раздела двух фаз, т. е. на поверхности катализатора.
Пример, реакция разложения жидкой перекиси водорода на поверхности Pt:
2H2O2 = 2H2O + O2
Факторы, влияющие на каталитические реакции
1) Катализатор не влияет на положение термодинамического равновесия, т. е. на
величину константы равновесия
K = K 1. Он одинаково ускоряет прямую и обратную
K 2
реакцию. Катализатор уменьшает время достижения равновесия. Поэтому можно добиться значительной скорости экзотермических обратимых реакций при невысоких температурах (такие реакции протекают тем полнее, чем ниже температура, но без катализатора недостаточно быстро).
2) Катализатор обладает избирательностью (селективностью) действия. Т. е. каждый катализатор может преимущественно ускорять лишь некоторые реакции. Например, окись этилена можно получить из этилена только в присутствии серебра. Никель катализирует реакции гидрирования, но не окисления, пятиокись ванадияV2O5, наоборот хороший катализатор реакций окисления, но не гидрирования.
Особенно ярко проявляется специфичность у ферментов. Так фермент, действующий на сахарозу, не гидролизует крахмал.
Иногда применение разных катализаторов приводит к образованию совершенно разных продуктов из одних и тех же исходных веществ:
CO + H2=
CH2O
CH3OH Kt: Cu, P = 30 – 40 МПа
высшие спирты Kt: Cu + щелочь, P = 30 – 40 МПа CH4 Kt: Ni, T = 523 K
твердые парафины
3) Количество катализатора.
Для заметного каталитического действия обычно достаточно очень малого количества катализатора. Одна молекула катализатора может «заставить» вступить в реакцию миллионы молекул реагирующих веществ в секунду. Например, в производстве серной кислоты на 1 мас. ч. катализатора превращается 104 мас. частей реагирующих веществ, а в производстве азотной кислоты при окислении аммиака на 1 мас.ч катализатора превращается 106 мас. ч. исходных веществ.
Влияние катализатора на скорость реакции характеризуется удельной каталитической активностью, за меру которой принимается скорость реакции в присутствии катализатора, отнесенная в гомогенном катализе к единице количества катализатора, а в гетерогенной – к единице поверхности катализатора.
Теоретически концентрация катализатора должна быть постоянной. На практике – катализатор уносится, отравляется, стареет. Старение – самопроизвольная потеря активности катализаторов с течением времени.
4) Степень дисперсности катализатора.
Увеличение активности катализатора с повышением его степени дисперсности происходит до определенного предела, затем начинает падать. Объясняется это тем, что при дальнейшем увеличении степени дисперсности катализатора исчезает гетерогенность системы (вместо коллоидного раствора образуется истинный).
5) От присутствия посторонних веществ.
Некоторые вещества, называемые промоторами, усиливают действие катализатора. Например, синтез аммиака, протекающий на железном катализаторе, промотируется окисью калия K2O.
Вещества, которые снижают активность катализатора или отравляют его, называются каталитическими ядами. К ним относятся соединения серы, фосфора, свинца и мышьяка, а также ртуть, окись углерода и свободные галогены.
6) Влияние температуры
Каждый катализатор проявляет свою максимальную активность в той или иной химической реакции при определенной температуре. Отклонения от этой температуры как в ту, так и в другую сторону снижают активность катализатора.
7) Влияние давления
Существенно проявляется для реакций, идущих с изменением объема. Некоторые каталитические реакции вообще не могут идти при нормальном давлении, например реакции синтеза высших спиртов и др.
Вопросы для самоконтроля
1. Дайте определения понятиям «катализ», «катализатор», «ингибитор».
2. Как влияет катализатор на равновесие? Можно ли, подбирая катализатор, изменить направление реакции.
3. Классификация каталитических процессов.
4. Селективность катализаторов.