Химия
9 класс

§ 6. Катализаторы и катализ

Почему катализаторы увеличивают скорость химической реакции? Оказывается, они действуют в полном соответствии с народной мудростью: «Умный в гору не пойдёт, умный гору обойдёт». Для того чтобы вещества начали взаимодействовать, их частицам (молекулам, атомам, ионам) нужно сообщить определённую энергию, называемую энергией активации (рис. 13, а). Катализаторы понижают эту энергию, соединяясь с одним из реагирующих веществ и проводя его вдоль «энергетической горы» на встречу с другим веществом с меньшими затратами энергии. Поэтому в присутствии катализатора химические реакции протекают не только быстрее, но и при более низкой температуре, что удешевляет производственные процессы.

Рис. 13.
Энергетические диаграммы каталитических реакций с использованием обычного (а) и селективного (б) катализатора

И не только. Использование катализаторов может привести к тому, что одни и те же вещества будут реагировать по-разному, т. е. с образованием разных продуктов (рис. 13, б). Например, аммиак окисляется кислородом до азота и воды, а в присутствии катализатора — до оксида азота (II) и воды (запишите уравнения реакции и рассмотрите процессы окисления и восстановления).

Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость химической реакции или путь, по которому она протекает, но остающиеся неизменёнными качественно и количественно по окончании реакции. Биологические катализаторы белковой природы называются ферментами.

Процесс изменения скорости химической реакции или пути, по которому она протекает, называется катализом. Как и реакции, различают гомогенный и гетерогенный виды катализа. В случае использования ферментов катализ называют ферментативным. Этот вид катализа известен человеку с глубокой древности. Благодаря ферментативному расщеплению органических веществ человек научился печь хлеб, варить пиво, изготавливать вино и сыр (рис. 14).

Рис. 14.
Человек с древности использовал катализ, происходящий при выпечке хлеба, варке пива, изготовлении вина, производстве сыра

Наиболее известны в быту ферменты, входящие в состав стиральных порошков. Именно они позволяют избавлять бельё при стирке от пятен и неприятного запаха.

Познакомимся ближе с катализаторами с помощью химического эксперимента.

Пероксид водорода (в обиходе его часто называют перекисью водорода) — необходимый в любой домашней аптечке препарат (рис. 15).

Рис. 15.
Раствор пероксида водорода

На упаковке с этим препаратом обязательно указывается срок годности, так как при хранении он разлагается:

Однако при обычных условиях этот процесс протекает настолько медленно, что мы не замечаем выделения кислорода, и только открыв склянку, в которой пероксид водорода хранился длительное время, можно заметить, как из неё выделяется немного газа. Как ускорить этот процесс? Проведём лабораторный опыт.

Лабораторный опыт № 9 Разложение пероксида водорода с помощью оксида марганца (IV)

Налейте в пробирку 3—4 мл раствора пероксида водорода. Отверстием стеклянной трубочки наберите немного порошка оксида марганца (IV), осторожно высыпьте его в пробирку. Что наблюдаете? Внесите в верхнюю часть пробирки тлеющую лучинку. Что наблюдаете? Дайте характеристику проделанной реакции по всем известным вам признакам классификации химических реакций. Какой катализ вы наблюдали в ходе этого эксперимента?

Лабораторный опыт № 10
Обнаружение каталазы в пищевых продуктах

Исследуем некоторые пищевые продукты на наличие в них фермента каталазы (эксперимент лучше выполнять в группе). В шесть пробирок налейте по 3—4 мл раствора пероксида водорода и поместите в них кусочки: сырого и варёного картофеля, сыра, дрожжей, сырой и варёной печени. Почему в одних случаях наблюдалось выделение кислорода, а в других — нет? Если в пробирку с раствором пероксида водорода добавить несколько капель свежеполученного морковного или картофельного сока, то наблюдается характерное вскипание из-за выделяющегося кислорода. Какой вид катализа вы наблюдали в ходе этого эксперимента?

Катализаторы не только делают экономичнее производственные процессы, но и вносят значительный вклад в охрану окружающей среды. Так, современные легковые автомобили снабжены каталитическим устройством, внутри которого находятся керамические ячеистые носители катализатора (платины и родия). Проходя через них, вредные вещества (оксиды углерода, азота, несгоревший бензин) превращаются в углекислый газ, азот и воду (рис. 16).

Рис. 16.
Каталитический преобразователь автомобиля, превращающий оксиды азота его выхлопных газов в безвредный азот

Однако для химических реакций важны не только катализаторы, которые ускоряют прохождение реакции, но и вещества, способные их замедлять. Такие вещества называются ингибиторами. Наиболее известны ингибиторы коррозии металлов.

Лабораторный опыт № 11
Ингибирование взаимодействия кислот с металлами уротропином

Поместите в две пробирки по небольшому гвоздю (грануле цинка), налейте в них раствор серной или соляной кислоты. Добавьте в одну пробирку немного уротропина. Что наблюдаете? Объясните результаты наблюдений.

В лексиконе обычного человека нередко встречаются слова, которые заимствованы из химии. Например, антиоксиданты, или антиокислители. Что собой представляют вещества, называемые антиоксидантами? Вы, наверное, замечали, что если долго хранить сливочное масло, то оно изменяет цвет, вкус, приобретает неприятный запах — окисляется на воздухе. Чтобы пищевые продукты не портились, в них добавляют антиоксиданты. Важную роль они играют и в сохранении здоровья человека, ведь в его организме также происходят нежелательные процессы окисления, в результате чего человек болеет, быстрее устаёт и стареет. Организм человека получает антиоксиданты при употреблении в пищу продуктов, содержащих, например, каротин (витамин А) и витамин Е (рис. 17).

Рис. 17.
Антиоксиданты: a — β-каротин; б — витамин Е

Итак, скоростью химической реакции можно управлять с помощью катализаторов и ингибиторов, изменением температуры, концентрации реагирующих веществ, давления (для гомогенных газовых реакций), площади соприкосновения реагирующих веществ (для гетерогенных процессов). И конечно же скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ.

Новые слова и понятия

  1. Катализаторы.
  2. Ферменты.
  3. Катализ (гомогенный, гетерогенный, ферментативный).
  4. Ингибиторы.
  5. Антиоксиданты.

Задания для самостоятельной работы

  1. Что такое катализаторы? Какую роль они играют в химических реакциях? Почему катализаторы ускоряют течение химических реакций?
  2. Какую роль в истории человеческой цивилизации сыграл ферментативный катализ?
  3. Подготовьте сообщение о роли катализаторов в современном производстве.
  4. Подготовьте сообщение о роли ингибиторов в современном производстве.
  5. Подготовьте сообщение о роли антиоксидантов в медицине и пищевой промышленности.

Рейтинг@Mail.ru