Явление катализа. Гомо- и гетерогенный катализ.
О
дно
из наиболее эффективных воздействий
на химические реакции — это применение
катализатора — вещества, ускоряющего
химические реакции. Присутствие
катализаторов меняет скорость реакции
в тясячи и даже миллионы раз. Катализоторы
активно участвуют в химической реакции,
но в отличии от реагентов в конце её
остаются неизменными. Катализаторы —
это вещества, которые изменяют скорость
протекания реакции, но сами не расходуются
в ходе реакции и не входят в состав
конечных продуктов. Важной характеристикой
каталитической реакции (катализа)
является однородность пространства.
Шутка. Однородность или неоднородность
катализатора и реагирующих веществ.
Различают гомогенные и гетерогенные
каталитические процессы. При гомогенном
(однородном) катализе между реагирующими
веществами и катализатором отсутствует
поверхность раздела. В данном случае
катализ осуществляется через образование
неустойчивых промежуточных продуктов.
Например, вещество А должно вступить в
реакцию с веществом В. Однако для начала
реакции необходимо сильное нагревание,
и реакция далее протекает медленно.
Тогда подбирают катализатор с таки
расчётом, чтобы он с веществом А образовал
активное промежуточное соединение,
способное потом энергично реагировать
с веществом В: А+кат.=А*Кат.; А*кат.+В=АВ+кат.;
А+В =кат=АВ. Процессы в которых
катализатор и катализируемые вещества
находятся в разных агрегатных состояниях,
относятся к гетерогенному (неоднородному)
катализу. При адсорбции на поверхности
катализатора газообразных или жидких
реагентов ослабляются химические связи,
возрастает способность этих веществ к
взаимодействию. Ускоряющее действие
катализатора заключается в понижении
энергии активации основной реакции.
Каждый их промежуточных процессов с
участием катализатора протекает с
меньшей энергией активации, чем
некатализируемая реакция. Катализ
открывает иной путь протекания химической
реакции от исходных веществ к продуктам
реакции. Опыт показывает, что катализаторы
строго специфичны для конкретных
реакций. Например, в реакции N2+3H2=Fe=2NH3
катализатором является металлическое
железо, а в реакции окисления оксида
серы (IV) в оксид серы (VI)
катализатор — оксид ванадия (V)
V2O5. Часто в качестве катализаторов
используют платину, никель, палладий,
оксид аллюминия. Для ускорения процесса
разложения пероксида водорода в качестве
катализатора применяют оксид марганца
(IV). Если в стакан с раствором
пероксида водорода добавить немного
оксида марганца (IV), сразу
происходит бурное вспенивание жидкости
в результате выделения кислорода. В
уравнениях химических реакций фомулы
катализаторов записывают над знаком =
и стрелочкой или пишут «катализатор»,
«кат.», «к.». Существуют вещества,
способные замедлить химическую реакцию
— осуществлять так называемый
отрицательный катализ.
Цепные химические реакции.
Цепные реакции — это самоподдерживающиеся химические реакции, в результате которых первоначальна появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов.
К цепным реакциям относят реакции, протекающие с образованием свободных радикалов, способных превращать реагенты в конечные продукты, поддерживая постоянство свободных радикалов или даже увеличивая их (разветвленная цепная реакция). Цепные реакции протекают с большой скоростью и иногда со взрывом. В цепных реакциях различают три стадии: зарождения, цепи, развития цепи и обрыва цепи.
На стадии зарождения цепи происходит oбpaзoвaние промежуточных продуктов, которыми могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. Зарождение (иницирование) происходит под воздействием светового, радиационного, термического или другого воздействия. На стадии развития цепи последовательно протекают реакции превращения и образования свободных радикалов. На стадии обрыва цепи происходит расходование промежуточных продуктов или их разрушение и прекращение реакции. Обрыв реакции может произойти самопроизвольно или под действием ингибиторов (веществ, способных замедлить химическую реакцию — осуществлять так называемый отрицательный катализ). К цепным реакциям относятся, например, окисление органических веществ кислородом, окисление водорода, фосфора, серы, реакции между водородом и хлором, между водородом и бромом и т.д.
Примером неразветвленной цепной реакции может служить H2 + Br2 = 2HBr, иницирование которой определяется термо- и фотодиссоциацией. Горение водорода относится к разветвленным цепным реакциям. По цепному механизму протекают многие реакции горения, полимеризации, окисления, термического разложения.