Любая каталитическая реакция включает по крайней мере две стадии:
1) взаимодействие активного центра с молекулой реагента и образование промежуточного соединения;
2) распад промежуточного соединения с образованием продуктов реакции и "свободного" активного центра.
Последний вновь вступает во взаимодействие с молекулами исходных веществ. Такие циклы могут повторяться многократно. Число циклов, совершающихся за единицу времени на одном активном центре, называют числом оборотов катализатора. Мерой каталитической активностиявляется число оборотов катализатора. Для гомогенных катализаторов число оборотов легко подсчитать, если разделить скорость реакции на молярную концентрацию катализатора.
Активность катализатора, так же как и скорость реакции, зависит от условий проведения каталитического процесса: температуры, концентрации реагентов, давления, а также растворителя, если каталитическая реакция протекает в жидкой фазе. Поэтому сравнение каталитической активности различных катализаторов проводят при строго одинаковых условиях.
Состояние обратимой реакции, при котором υ→ =υ← называется химическим равновесием.(т.е. V прямой реакции равна V обратной)
Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.
А2 + В2 ⇄ 2AB.
Смещение химического равновесия.
Положение химического равновесия зависит от следующих параметров реакции: температуры, давления и концентрации.
Чтобы реакция на химических производствах проходила как можно полнее, необходимо сместить равновесие в сторону продукта. Для того, чтобы определить, как тот или иной фактор изменит равновесие в системе, используют принцип Ле Шателье (1844 г.): Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, оказать внешнее воздействие (изменить t, р, С), то равновесие сместится в ту сторону, которая ослабит это воздействие.
Факторы, влияющие на химическое равновесие :
1) при ↑ Среаг →, при ↑ Спрод ←: S2+2O2=2SO2,[O]↑ →, [SO2]↑ ←
2) при ↑ p (для газов) - в сторону уменьшения объема,
при ↓ р – в сторону увеличения V; если реакция протекает без изменения числа молекул газообразных веществ, то давление не влияет на равновесие в данной системе.
CaCO3=CaO+CO2 P↑ ←, P↓ →
1моль=1моль+1моль.
3) при ↑ t – в сторону эндотермической реакции (- Q), при ↓ t – в сторону экзотермической реакции (+ Q).
CaCO3=CaO+CO2 -Q t↑ →, t↓ ←
N2+3H2↔2NH3 +Q t↑ ←, t↓ →
Способы смещения химического равновесия на примере синтеза аммиака .
Сырье: азотоводородная смесь.
Вспомогательный материал: катализатор (пористое железо).
Основной химический процесс:
Предварительно получают азотоводородную смесь. Водород получают парокислородной конверсией метана (из природного газа):
СН4 + Н2О(г) → СО + ЗН2 - Q
2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2 + Q
СО + Н2О(г) = СО2 + Н2 + Q
Азот получают ректификацией жидкого воздуха.
| Аппарат | Назначение | Реакция |
| Турбокомпрессор | Сжатие смеси до необходимого давления 25·106 Па | - |
| Колонна синтеза | Газы реагируют при 450—500 °С в присутствии катализатора под давлением с образованием 10—20% аммиака | N2 + 3H2 ↔ 2NH3 + 92 кДж |
| Холодильник | Сжижение аммиака | - |
| Сепаратор | Отделение аммиака от непрореагировавших азота и водорода | - |
Особенности технологического процесса: направление движения азотоводородной смеси в колонне синтеза выбирают таким образом, чтобы максимально использовать теплоту реакции и предохранить наружные стенки аппарата от чрезмерного нагревания. Образующийся аммиак (10—20%) отделяют сжижением, возвращая непрореагировавшую азотоводородную смесь в колонну синтеза. Процесс непрерывный, циркуляционный.
Основной продукт: аммиак.
Применение: производство азотных удобрений, взрывчатых веществ, пластических масс и др.
Контроль знаний:
Дайте определение и приведите примеры гомо- и гетерогенных реакций, состояния химического равновесия, катализа и катализаторов.
Литература:
1. Габриелян О.С. Химия: учеб. для студ. сред. проф. учеб. заведений.- 2-е издание / О.С. Габри елян, И.Г. Остроумов. – М., 2013.
2. https://ru.wikipedia.org - энциклопедия.
3. Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г, химия. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений (базовый уровень). – М.: Просвещение, 2016.
