Лекция 22. Катализ и катализаторы. Что такое катализатор и каталитические реакции?. Виды катализа.. Механизм действия катализаторов.. Значение катализа?. Что такое катализатор и каталитические реакции?. Виды катализа

Стр 1 из 2Следующая ⇒

Лекция 22

Катализ и катализаторы

План:

1. Что такое катализатор и каталитические реакции?

2. Виды катализа.

3. Механизм действия катализаторов.

4. Значение катализа?

Что такое катализатор и каталитические 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.

Виды катализа

(если нет возможности провести демонстрацию опытов, то на слайде есть видеоролики с данными опытами)

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

Демонстрация опыта:

В химический стакан добавляем несколько капель жидкого мыла, далее добавляем 2 мл раствора комплексной соли, а затем приливаем пероксид водорода. Наблюдаем реакцию вспенивания жидкого мыла.

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

Демонстрация опыта:

В химическую колбу ёмкостью 500 мл помещаем раствор аммиака и закрываем пробкой. На спиртовке нагреваем дихромат аммония, затем помещаем в колбу с аммиаком. Наблюдаем реакцию «звёздный дождь».

Механизм действия катализатора:

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.

Действие катализаторов связано с тем, что они вступают в промежуточное взаимодействие с реагентами, направляя процесс на новый путь, характеризующийся более низким значением энергии активации (см. рис.).

Е_а – энергия активации прямой реакции без катализатора;

Е_а – энергия активации обратной реакции без катализатора;

∆Е_к – понижение энергии активации реакции с катализатором.

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.

Реагенты	Катализаторы	Продукты
СО + Н₂	Со, Ni, Ru	Алканы (преимущественно)
	Fe	Алкены (преимущественно)
	Zn∙CuO, ZnO∙CrO₃	Метанол
	ZnO∙CrO₃+ щелочь	Высшие спирты
	Fe +BeO	Альдегиды и кетоны

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.

12 Следующая ⇒