Лекция : Каталитические реакции

Цели: Показать влияние на скорость химических реакций такого явления как катализ. Рассмотреть классификацию химических реакций по участию катализатора и по фазовому состоянию реагирующих веществ и катализатора.

Послушайте арабскую притчу «Восемнадцать верблюдов»:

Жил когда-то на Востоке человек, который разводил верблюдов. Всю жизнь он работал, а когда состарился, то позвал к себе сыновей и сказал:
«Дети мои! Я стал стар и немощен и скоро умру. После моей смерти разделите оставшихся верблюдов так, как я вам скажу. Ты, старший сын, работал больше всех — возьми себе половину верблюдов. Ты, средний сын, только начал мне помогать — возьми себе третью часть. А ты, младший, возьми девятую часть».
Прошло время, и старик умер. Тогда сыновья решили разделить наследство так, как завещал им отец. Они выгнали стадо на большое поле, пересчитали, и оказалось, что в стаде всего семнадцать верблюдов. И нельзя было разделить их ни на 2, ни на 3, ни на 9! Что было делать — никто не знал. Стали сыновья спорить, и каждый предлагал своё решение. И они уже устали спорить, но так и не пришли к общему решению.
В это время ехал мимо путник на своём верблюде. Услышав крик и спор, он спросил: «Что случилось?»
И сыновья рассказали о своей беде. Путник слез с верблюда, пустил его в стадо и сказал: «А теперь разделите верблюдов, как велел отец».
И так как верблюдов стало 18, то старший сын взял себе половину, то есть 9, средний — треть, то есть 6 верблюдов, а младший девятую часть, то есть двух верблюдов. И когда они разделили, таким образом, стадо, в поле остался ещё один верблюд, потому что 9+6+2 равно 17.
А путник сел на своего верблюда и поехал дальше.

Какова роль восемнадцатого верблюда? И какая связь этой притчи с темой нашего урока?

В течение урока нам необходимо найти ответы на следующие вопросы:

1. Что такое катализатор и каталитические реакции?
2. Привести примеры известных вам каталитических реакций из органической и неорганической химии. Указать названия веществ – катализаторов.
3. Высказать предположение о механизме действия катализаторов.
4. Каково значение каталитической реакции?

Одним из наиболее распространённых в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ.

Катализ (от греч. сatalysis – разрушение) – изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.

Катализаторы – вещества, повышающие скорость химических реакций, но состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

Ингибиторы – вещества, замедляющие скорость химических реакций, но состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.

Примером гомогенного катализа может служить взаимодействие пероксида водрода с сульфатом тетраамминмеди (II).

Примером гетерогенного катализа является каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III).

Как вы думаете, как же катализаторы работают? Вспомните притчу о

восемнадцати верблюдах

Механизм действия катализатора:

По результатам исследований, что можно сказать о том, как работает катализатор?

Современные представления о катализе сводятся к следующему (разумеется, в самом упрощенном варианте). Есть исходные вещества, атомы, образующие исходные молекулы, можно представить так, что в продукте они будут связаны между собой иными, даже более прочными связями. Т.е. внутренняя энергия системы, состоящей из атомов после «перестановки».

Химическая реакция превращения исходных реагентов в продукты могла бы пройти, но что-то мешает. При описании трехмерной энергетической картины каталитической реакции используют такие образы – «долина исходных веществ», «долина продуктов». Между ними – хребет, энергетический барьер. Он не подпускает атомы настолько близко друг к другу, чтобы они могли поменяться местами и образовать новые, более прочные связи. И перепрыгнуть просто так хребет не получается. А катализаторы оказываются теми самыми проводниками, которые позволяют найти необходимый путь – перевал с высотой поменьше. Там, на перевале катализатор образует промежуточный активированный комплекс, один сразу или несколько последовательно, и соединяет, в конце концов, атомы исходных веществ между собой в ином, нужном исследователям сочетании. Потом он позволяет молекулам новых соединений благополучно скатиться в долину продуктов, а сам удаляется, чтобы соединить новые пары, в идеале – оставшись неизменным. В реальности, правда, он оказывается, изрядно подпорчен каталитическими ядами и прочими невзгодами.

Существует ряд теорий, объясняющих механизм действия катализаторов. Для понимания механизма гомогенного катализа предложена теория промежуточных соединений.

Сущность этой теории заключается в том, что если медленно протекающую реакцию А + В → АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение:

А + К → АК

Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор освобождается:

АК + В → АВ +К

Если теперь оба процесса суммировать, то получим исходное уравнение:

А+В → АВ,

Вывод: катализатор доставляет реагирующим частицам необходимую энергию для эффективных соударений, т.е. катализатор снижает необходимую для реакции энергию активации, предоставляя реагентам альтернативный путь разрушения и образования связей.

Катализаторы обладают определёнными свойствами:

1. Катализаторы не создают процесса, а только изменяют его скорость;
2. Для обратимых реакций катализаторы не смещают равновесие и не влияют на константу равновесия, а лишь ускоряют процесс достижения равновесного состояния;
3. Катализатор снижает необходимую для реакции энергию активации, предоставляя реагентам альтернативный путь разрушения и образования связей;
4. Катализаторы обладают избирательностью, т.е. ускоряют только одну из нескольких реакций.

Избирательность катализаторов мы можем пронаблюдать на следующем примере.

Строгая избирательность и высокая скорость –два основных признака ферментативного катализа, отличающие его от лабораторного и производственного катализа. Ни один из созданных руками человека катализаторов не может сравниться с ферментами по силе и избирательности воздействия на органические молекулы.

Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только одну химическую реакцию с выходом 100%. Ингибиторы в живом организме подавляют различные вредные реакции окисления в клетках тканей, которые могут инициироваться радиоактивным излучением.