Роль катализатора в химической реакции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Существующее до сих пор определение катализатора. Катализаторами называют вещества, увеличивающие скорость реакции. Катализатор проводит реакцию по пути, требующему меньшей энергии активации не объясняет явление, а только регистрирует внешнее событие. Наше определение помогает понять природу химических реакций и химической связи, физический смысл явления катализа.

Условно катализаторы можно разбить на две группы.

К первой группе относятся вещества, которые в условиях реакции дают значительно больше активных частиц ведущих цепной процесс. Наглядные примеры щелочной и кислотный гидролиз сложных эфиров.

Ко второй группе относятся катализаторы, увеличивающие концентрацию промежуточного соединения. Эти катализаторы образуют комплекс с обеими исходными насыщенными молекулами, и электронная изомеризация протекает через промежуточное образование химических связей с катализатором.

AB + K > ABK

ABK + CD > ABKCD

ABKCD > AC + BD + K

где AB и CD являются реагирующими веществами.

Ускорение реакции (каталитическое действие вещества) может быть объяснено следующим образом. В отсутствии катализатора промежуточным соединением реакции является AB-CD, тогда как в присутствии катализатора - AB-K-CD. Скорость реакции в обоих случаях пропорциональна концентрации промежуточного соединения. Соотношение же между AB-CD (без катализатора) и AB-K-CD будет определяться энергией связи AB-CD и AB-K-CD.

Энергия связи обеих молекул с катализатором гораздо выше, чем их энергия связи друг с другом, поэтому концентрация промежуточных соединений с катализатором гораздо выше, следовательно, выше и скорость реакции.

Такой механизм действия катализатора типичен для биологических систем, в которых катализаторами обычно являются ферменты (энзимы), объединяющие вступающие в реакции молекулы в своих центрах.

Роль химической активации также возрастает с выигрышем энергии в ходе реакции, которая также идет на разрыв слабых связей, что позволяет понять физический смысл правил Семенова - Поляни.

Т.О., механизмы действия катализатора это

1. увеличение концентрации активных частиц в реакционной смеси;

2. образование промежуточных соединений с обоими из реагентов реакции;

3. химическая активация.

4. Как правило, в каталитической реакции присутствуют несколько механизмов.

Понятие «Химическая реакция»

Под этим словосочетанием понимают взаимодействие нескольких веществ, называемых реагентами, результатом его становится вещество абсолютно нового качества. Иными словами, при реакциях такого порядка из одних веществ, посредством разрыва одних связей и образования связей совершенно новых, образуются и новые вещества. Химические реакции часто путают с реакциями ядерными, это неправильно, поскольку при ядерных реакциях происходит не образование нового вещества, а превращение исходного - в вещество другого порядка.

По типу полученных веществ химические реакции классифицируют на реакции:

· разложения,

· окисления,

· соединения,

· одинарного и двойного замещения,

· окислительно-восстановительные.

Каждую описывает конкретное химическое уравнение. Взаимодействуют вещества между собой в результате смешивания или физического контакта. Процессы эти могут протекать по-разному, рассматривают разные типы протекания химических реакций.

· Самопроизвольная реакция.

· Термические (воздействие высокой температурой).

· Катализ (при участии катализатора).

· Фотохимические (под воздействием света).

· Электродные (воздействие электрическими зарядами).

· Радиационно-химические (воздействие ионизирующими излучениями).

· Механохимические (механическое воздействие).

· Плазмохимические (на низкотемпературной плазме).

Химические реакции: основные виды

По количеству веществ, вступающих в реакции, их разделяют на две базовые группы:

Сложные химические реакции

· Реагенты (исходные вещества).

· Продукты реакции (те вещества, что являются результатом реакции).

· Катализатор реакции (вещество, ускоряющее химическую реакцию называется её катализатором).

Простые химические реакции

· Реагенты (исходные вещества).

· Продукты реакции (те вещества, что получены в результате химической реакции).

Человек давно научился ускорять реакции взаимодействия веществ. Например, каждому известно, что сахар быстрее раствориться в чашечке с горячим кофейным напитком, нежели в остывшем кофе. Реакцию растворения (сахара в кофейном напитке) ускорили под воздействием повышенной температуры реагента (горячий кофе). Саму эту реакцию можно отнести к термическому типу.

Ускорение химической реакции

Взаимодействуя на молекулярном уровне, все вещества участвуют в различных химических реакциях, последние могут по-разному протекать во времени. Одни - быстрее, другие - медленно или почти незаметно для глаз человека. Как ускорить реакцию взаимодействия веществ между собой?

Рассмотрим иной пример: если попытаться поджечь сахар рафинад, можно увидеть, что при сильном нагреве происходит его плавление с образованием карамели коричневого цвета и характерного ей запаха. При этом сахар не загорается. Сжечь его можно, если использовать дополнительное вещество - табачный пепел. Достаточно обсыпать кусочек сахара этим пеплом и внести в открытый огонь, он тут же загорится.

В последнем примере нужную химическую реакцию провели с использованием специального вещества. Все химические реакции, не желающие протекать самостоятельно или идущие в очень медленном темпе, можно ускорить посредством своеобразного «стимула». Итак, вещество, ускоряющее химическую реакцию, называется катализатором, а сама химическая реакция - катализом.

Понятие «Катализа» и его виды

Катализатором может выступать иное химическое вещество, способствующее ускорению конкретной реакции. Кстати, количество катализатора после завершения реакции не изменяется, что не присуще реагентам. Другими словами, катализатор не принимает участия в такой реакции, его нельзя считать реагентом, он лишь помогает им вступать в реакцию, ускоряя скорость их взаимодействия. Никогда нельзя путать катализаторы с инициаторами, поскольку последние в ходе течения реакции расходуются.

катализатор химический реакция скорость

Молекулы могут взаимодействовать по циклу, при наличии достаточного количества реагента. Активная позиция в этих реакция принадлежит ионам, радикалам и координационно-насыщенным соединениям. Степень концентрации активных частиц, разница между энергией образуемой связи и разрываемой, определяют скорость течения химической реакции.

Под катализом подразумевают процесс, влияющий на скорость течения реакции, при участии активных веществ, называемых катализаторами. Принцип его действия прост: катализатор ускоряет химическую реакцию благодаря тому, что реагируя с реагентом, способствует скорейшему образованию промежуточного соединения. Под воздействием ряда превращений, происходит расщепление этого соединения. На выходе получаем продукт реакции и катализатор, готовый вновь вступать в аналогичную реакцию с реагентом (по циклу).

Виды катализа

Сущность процессов катализа можно считать одинаковой, базирующейся на образовании ряда промежуточных соединений катализатора и реагента. Формально все химические процессы, связанные с катализом, разделяют на три вида:

Гомогенный

Этот процесс подразумевает образование одной общей фазы между катализатором и реагентами. Наиболее часто это жидкость или газообразное вещество.

Микрогетерогенный

Данный вид катализа осуществляется в жидкой фазе при участии разнообразных коллоидных частиц, выступающих в роли катализаторов. Например, при ферментном катализе, протекающем в клетках растительного и животного происхождения, катализаторами биологического порядка являются белки ускоряющие реакции - это обычные ферменты. Для таких реакций характерна высокая степень селективности, без них невозможна жизнь для любого организма.

Гетерогенный

При взаимодействии реагентов и катализатора образуются разные фазы, а сама каталитическая реакция протекает на разделяющей их границе. В подобных реакциях катализаторами являются твёрдые вещества, а реагентами - жидкости или газы.

Существуют такие понятия, как катализ отрицательный (замедление реакции под воздействием «антикатализаторов» - ингибиторы) и положительный (ускорение реакции катализатором).

Теорию каталитических процессов простой назвать нельзя, она достаточно сложна и относится к малоизученным областям современной науки. Сегодня изучается несколько теорий относительно механизмов действия катализаторов. Наиболее приемлемой в физической химии считают теорию промежуточных соединений.

Скорость химической реакции -- изменение количества одного из реагирующих веществ за единицу времени в единице реакционного пространства. Является ключевым понятием химической кинетики. Скорость химической реакции -- величина всегда положительная, поэтому, если она определяется по исходному веществу (концентрация которого убывает в процессе реакции), то полученное значение умножается на ?1.

Учение о скоростях и механизмах химической реакции называется химической кинетикой. Скорость химических реакций изменяется в широких пределах. Одни реакции происходят практически мгновенно, например взаимодействие водорода с кислородом при нагревании. Медленно образуется ржавчина на железных предметах, продукты коррозии на металлах.

При этом нельзя, конечно, ограничиваться чисто качественными рассуждениями о “быстрых” и “медленных” реакциях. Необходима количественная характеристика для такого важного понятия, как скорость химической реакции (V x. P.)

Скорость химической реакции - изменение концентрации одного из реагирующих веществ в единицу времени

V x.p = C/t

C (моль/л) - концентрация веществ,

t (с) - время, V. x. p (моль/л) - скорость химической реакции.

Рассматривая кинетику химических реакций, следует иметь в виду, что характер взаимодействия зависит от агрегатного состояния продуктов и реагентов. Продукты и реагенты, вместе взятые, образуют так называемую физико-химическую систему. Совокупность однородных частей системы, обладающих одинаковыми химическими составом и свойствами и отделенных от остальных частей системы поверхностью раздела, называют фазой. Например, в стакане с водой внесли кристаллы поваренной соли, то в первый момент образуется двухфазная система, которая превратится в однофазную после растворения соли. Смеси газов при нормальных условиях однофазны (вода и спирт) или многофазны (вода и бензол, вода и ртуть). Системы, состоящие из одной фазы, называется гомогенными, а системы, содержащие несколько фаз - гетерогенными. Соответственно этому в химии введено понятие о гомогенных и гетерогенных реакций. Реакция называют гомогенной, если реагенты и продукты составляют одну фазу:

HCI+NaOH=NaCL+H2O

При гетерогенной реакции реагенты и продукты находятся в различных фазах:

Zn+2HCL=ZnCL2+H2

В последнем случае, как реагенты, так и продукты составляют различные фазы (Zn твердый, ZnCL2 находится в растворе, а H2 - газ).

Если реакция протекает между веществами в гетерогенной системе, то реагирующие вещества соприкасаются между собой не по всему объему, а только на поверхности. В связи с этим определение скорости гетерогенной реакции следующее:

Скорость гетерогенной реакции определяется числом молей веществ в результате реакции в единицу времени на единице поверхности

- изменение количества вещества (реагента или продукта), моль.

- интервал времени - с, мин.

Факторы, влияющие на скорость реакции

1. Природа реагирующих веществ. Учитель показывает опыт:

В две пробирки наливают по 1 мл раствора HCL. В одну опускаем кусочек гранулированного олова, в другую - кусочек цинка такого же размера. Учащиеся сравнивают интенсивность выделения пузырьков газа, составляют уравнения взаимодействия HCL с цинком и оловом, делают вывод о влиянии природы реагирующих веществ на скорость реакции.

2. Концентрация реагирующих веществ.

Опыт - Взаимодействие тиосульфата натрия с серной кислотой.

а) Провести вначале качественный опыт. Для этого в пробирку налить 1 мл раствора серной тиосульфата натрия и добавить натрия и добавить 1-2 капли раствора серной кислоты. Отметить появления через некоторое время опалесценции и дальнейшее помутнение раствора от образования свободной серы:

Na2S2O3+H2SO4=Na2SO4+SO2 + S +H2O

Время, проходящее от сливания раствора до заметного помутнения, зависит от скорости реакции.

б) В три пронумерованные пробирки налить из бюретки 0,25 н. раствор тиосульфата натрия: в первую - 1 мл, во вторую - 2 мл, в третью - 3мл. К содержимому первой пробирки прилить из бюретки 2 мл воды, ко второй - 1 мл воды. Таким образом, условная концентрация будет: в пробирки № 1 - С; в пробирки № 2 - 2С; в пробирки № 3 - 3С.

В пробирку № 1 с раствором тиосульфата натрия добавить 1 каплю раствора серной кислоты, встряхнуть ее для перемешивания содержимого и включить секундомер. Отметить время от сливания растворов до заметного появления опалесценции.

Опыт повторить с пробирками № 2 и № 3, добавить также по 1 капли раствора серной кислоты и определяя время протекания реакции.

После проведения опыта учитель на доске строит график зависимости скорости реакции то концентрации реагирующих веществ, где на оси абсцисс откладывает условную концентрацию раствора тиосульфата натрия, на оси ординат условную скорость реакции. (График можно подготовить заранее ).

Учащиеся анализируют график и делают выводы о зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ.

Влияние концентрации реагентов на скорость химического взаимодействия выражается основным законом химической кинетики.

Скорость химических реакций, протекающих в однородной среде при постоянной температуре, прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, возведенных в степени их стехиометрических коэффициентов

nA+mB --> pC

= k [A]ⁿ * [B]^m

Это уравнение - кинетическое уравнение скорости. [A], [B] (моль/л) - концентрации исходных веществ; n, m - коэффициенты в уравнении реакции; k - константа скорости.

Физический смысл константы скорости (k):

если [A] = [B] = 1 моль/л => = k *1ⁿ* 1^m., т.е. = k.

Это скорость данной реакции в стандартных условиях.

Примеры:

№ 1. 2Н² (г) + О² (г) --> 2Н²О (г)

= k [H₂]² * [O₂]

Как изменится скорость этой реакции, если концентрацию каждого из исходных веществ увеличить в 2 раза?

₁ = k(2[H₂])² * (2[O₂]);

2[H₂] и 2[O₂] - новые концентрации исходных веществ.

₁ = k 4 [H₂]² * 2[O₂]

₁ = 8k[H₂]² * [O₂].

Сравним с уравнением (1) - скорость увеличилась в 8 раз.

2Сu (тв.) + О₂ (г) 2СuO (тв.)

= k[Cu]² [O²], однако концентрация твердого вещества исключается из уравнения - ее невозможно изменить - постоянная величина.

Cu (тв.) =>[Сu] = const

= k [O²]

3.Температура.

Большое влияние на скорость химические реакции оказывает температура

Вант-Гофф сформулировал правило: повышение температуры на каждые 10 ^о С приводит к увеличению скорости реакции в 2-4 раза (эту величину называют температурным коэффициентом реакции).

При повышении температуры средняя скорость молекул, их энергия, число столкновений увеличиваются незначительно, зато резко повышается доля “активных” молекул, участвующих в эффективных соударениях, преодолевающих энергетический барьер реакции.

Математическая эта зависимость выражается соотношением

где _{t2, t1} - скорости реакций соответственно при конечной t₂t₁ температурах, а - температурный коэффициент скорости реакции с повышением температуры на каждые 10^оС.

Примеры: во сколько раз увеличится скорость химической реакции при t^о: 50^о --> 100^о, если = 2

₂ = ₁ *2 ¹⁰⁰ -⁵⁰₁₀; ₂= ₁ *2⁵

то есть скорость химической реакции увеличится в 32 раза.

Одно из наиболее эффективных средств воздействия на скорость химических реакций -использование катализаторов. Как вы уже знаете из школьного курса химии, катализаторы - это вещества, которые изменяют скорость реакции, а сами к концу процесса остаются неизменными как по составу, так и по массе. Иначе говоря, в момент самой реакции катализатор активно участвует в химическом процессе, как и реагенты, но к концу реакции между ними возникает принципиальное отличие: реагенты изменяют свой химический состав, превращаясь в продукты, а катализатор выделяется в первоначальном виде.

Чаще всего роль катализатора заключается в увеличении скорости реакции, хотя некоторые катализаторы не ускоряют, а замедляют процесс. Явление ускорения химических реакций благодаря присутствию катализаторов носит название катализа, а замедления - ингибирования.

Катализ - очень важный раздел химии и химической технологии. С некоторыми катализаторами вы знакомились, изучая химию азота и серы. Учитель демонстрирует опыт.

Если открытую, содержащую концентрированный водный раствор аммиака колбу поместить предварительно нагретую платиновую проволоку, то она раскаляется и длительное время находится в состоянии красного каления. Но откуда тогда берется энергия, поддерживающая высокую температуру платины? Все объясняется просто. В присутствии платины аммиак взаимодействует с кислородом воздуха, реакция является сильно экзотермической (Н -900 кДж):

4NH_3(Г) + 5O₂=4NO_(Г)+6H₂O_(Г)

Пока идет реакция, инициированная платиной, выделяющаяся теплота поддерживает высокую температуру катализатора.

Размещено на Allbest.ru