Учебник для 11 класса

ХИМИЯ

§ 13.3. Действие катализаторов

Можно увеличить скорость реакции, используя специальные вещества, которые изменяют механизм реакции и направляют ее по энергетически более выгодному пути с меньшей энергией активации (рис. 31, а). Их называют катализаторами (от лат. katalysis — разрушение).

Рис. 31.
Энергетические диаграммы каталитических реакций с использованием обычного (а) и селективного (б) катализаторов

Катализатор действует как опытный проводник, направляющий группу туристов не через высокий перевал в горах (его преодоление требует много сил и времени и не всем доступно), а по известным ему обходным тропам, по которым можно преодолеть гору значительно легче и быстрее. Правда, по обходному пути можно попасть не совсем туда, куда ведет главный перевал. Но иногда именно это и требуется! Именно так действуют катализаторы, которые называют селективными (рис. 31, б). Ясно, что нет необходимости получать из аммиака азот, зато оксид азота (II) используют в производстве азотной кислоты HNO₃.

Изменение скорости химической реакции или ее направления с помощью катализатора называют катализом. Катализаторы широко используют в различных отраслях промышленности и на транспорте (рис. 32).

Рис. 32.
Каталитический преобразователь, превращающий оксиды азота выхлопных газов автомобиля в безвредный азот

Различают два вида катализа.

Гомогенный катализ: катализатор и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (фазе). Механизм действия такого катализатора состоит в образовании промежуточного вещества. При этом понижается энергия активации.

Например, при старом способе производства серной кислоты нитрозным способом окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI) проводили с помощью катализатора NO — оксида азота (II). При этом катализатор вначале взаимодействовал с кислородом, образуя промежуточное более активное вещество — оксид азота (IV), который далее взаимодействовал с SO₂, окисляя его в SO₃:

Гетерогенный катализ: катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Например, разложение пероксида водорода в присутствии твердого катализатора оксида марганца (IV):

Как и в случае гомогенного катализа, при гетерогенном катализе реакция протекает через активные промежуточные соединения — активированные комплексы (см. диаграмму на рис. 31, а), которые представляют поверхностные соединения катализатора с реагирующими веществами. Сначала происходит адсорбция, т. е. поглощение молекул реагирующих веществ пористой поверхностью катализатора, с образованием активных частиц, участвующих в реакции. Молекулы продуктов не образуют прочных связей с катализатором и десорбируются.

Сам катализатор не расходуется в результате реакции, но если на его поверхности адсорбируются другие вещества (их называют каталитическими ядами), то поверхность становится неработоспособной, требуется регенерация катализатора. Поэтому перед проведением каталитической реакции тщательно очищают исходные вещества.

Например, при производстве серной кислоты контактным способом используют твердый катализатор — оксид ванадия (V) V₂O₅:

При производстве метанола используют твердый «цинк-хромовый» катализатор (8ZnO • Сг₂O₃ • СгO₃):

Очень эффективно работают биологические катализаторы — ферменты (рис. 33). Как вы помните, по химической природе это белки. Благодаря им в живых организмах при невысокой температуре с большой скоростью протекает множество сложных химических реакций.

Рис. 33.
Ферменты играют важную роль в производстве сыра, вина, хлеба

Ферменты отличаются особой специфичностью, каждый из них ускоряет только «свою» реакцию, идущую в нужное время и в нужном месте с выходом, близким к 100%. Создание аналогичных ферментам искусственных катализаторов — мечта химиков!

Сравните эффективность фермента каталазы с другими катализаторами в процессе разложения Н₂O₂ в водном растворе по данным таблицы 14.

Таблица 14
Относительные скорости разложения Н₂O₂ с участием разных катализаторов

Вы, конечно, слышали и о других интересных веществах — ингибиторах (от лат. inhibere — задерживать). Они с высокой скоростью реагируют с активными частицами с образованием малоактивных соединений. В результате скорость реакции резко замедляется, и она прекращается. Ингибиторы часто специально добавляют в разные вещества, чтобы предотвратить нежелательные процессы.

Например, с помощью ингибиторов стабилизируют растворы пероксида водорода, мономеры для предотвращения преждевременной полимеризации, соляную кислоту, чтобы была возможна ее транспортировка в стальной таре. Ингибиторы содержатся и в живых организмах, они подавляют различные вредные реакции окисления в клетках тканей, которые могут инициироваться, например, радиоактивным излучением.

Поверхность соприкосновения реагирующих веществ

Скорость реакций, идущих на поверхности веществ, т. е. гетерогенных, зависит при прочих равных условиях от свойств этой поверхности. Известно, что растертый в порошок мел гораздо быстрее растворяется в соляной кислоте, чем равный по массе кусочек мела.

Увеличение скорости реакции объясняется в первую очередь увеличением поверхности соприкосновения исходных веществ, а также рядом других причин, например нарушением структуры «правильной» кристаллической решетки. Это приводит к тому, что частицы на поверхности образующихся микрокристаллов значительно реакционноспособнее, чем те же частицы на «гладкой» поверхности.

В промышленности для проведения гетерогенных реакций используют «кипящий слой», чтобы увеличить поверхность соприкосновения реагирующих веществ, подвод исходных веществ и отвод продуктов. Например, при производстве серной кислоты с помощью «кипящего слоя» проводят обжиг колчедана; в органической химии с применением «кипящего слоя» проводят каталитический крекинг нефтепродуктов и регенерацию (восстановление) вышедшего из строя (закоксованного) катализатора.

Вопросы и задания к § 13

1. В системе СО + Сl₂ СОСl₂ концентрацию СО увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию Сl₂ — от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?
2. Во сколько раз изменится скорость элементарной реакции 2А_(г) + В_(г) → А₂В_(г), если концентрацию вещества А увеличить в 2 раза, а концентрацию вещества В уменьшить в 2 раза?
3. Во сколько раз следует увеличить концентрацию вещества В2 в системе 2А₂ + В₂ → 2А₂В, чтобы при уменьшении концентрации вещества А в 4 раза скорость реакции не изменилась (при условии, что реакция протекает в одну стадию)?
4. Изменится ли скорость реакции 2Fe + ЗСl₂ = 2FeCl₃, если давление в системе увеличить?
5. Скорость химической реакции при 20 °С равна 1 моль/л•с. Вычислите скорость этой реакции при 60 °С, если температурный коэффициент равен 3.
   Ответ: 81 моль/(л•с).
6. Почему продукты хранят в холодильнике?
7. Данные, полученные при изучении скоростей двух химических реакций с участием газообразных веществ

   А + В → С(I) и А + 2В → D (II), представлены на графике, где v — скорость реакций. Может ли быть справедливой приведенная на графике зависимость?

8. Почему на мукомольных заводах иногда происходят взрывы?
9. Почему жидкий бензин и этанол горят спокойно (вспомните горение спирта в спиртовке), а пары этих веществ в смеси с воздухом взрываются?
10. Как объяснить, что для гидролиза сахарозы в лабораторных условиях ее раствор подкисляют и затем кипятят, а в пищеварительном тракте гидролиз идет при температуре всего 36,6 °С, да еще значительно быстрее?