3.2.3. Каталіз

Збільшувати швидкість реакцій можна за допомогою речовин–каталізаторів.

Застосовувати каталізатори доцільніше, ніж підвищувати температуру, тим більше, що її підвищення далеко не завжди можливе.

Каталізаторами називаються речовини, що змінюють швидкість хімічних реакцій.

Одні каталізатори сильно прискорюють реакцію – позитивний каталіз, або просто каталіз, інші – сповільнюють – негативний каталіз. Прикладом позитивного каталізу може бути добування сульфатної кислоти, окиснення амоніаку до нітратної кислоти за допомогою платинового каталізатора тощо. Прикладом негативного каталізу є сповільнення взаємодії розчину натрій сульфіту з киснем повітря при наявності етилового спирту або зменшення швидкості розкладання гідроген пероксиду при наявності невеликих кількостей сульфатної кислоти (0,0001 мас. частка). Негативний каталіз часто називають інгібіруванням, а негативні каталізатори, що знижують швидкість реакції, – інгібіторами (механізм дії останніх відрізняється від механізму дії каталізаторів).

Хімічні реакції, що відбуваються за участю каталізаторів, називаються каталітичними.

Каталітичний вплив можна чинити на більшість хімічних реакцій. Число каталізаторів дуже велике, а їхня каталітична активність досить різна. Вона визначається зміною швидкості реакції, викликаною каталізатором.

Сам каталізатор в реакціях не витрачається і до складу кінцевих продуктів реакції не входить.

Розрізняють два види каталізу – гомогенний (однорідний) і гетерогенний (неоднорідний) каталіз.

При гомогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють однофазну систему – газову або рідку, між каталізатором і речовинами, що реагують, немає поверхні поділу. Наприклад, каталітичний розклад гідроген пероксиду при наявності розчину солей (рідка фаза). Для гомогенного каталізу встановлено, що швидкість хімічної реакції пропорційна концентрації каталізатора.

При гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють систему з різних фаз. У цьому випадку між каталізатором і реагуючими речовинами існує поверхня поділу. Звичайно каталізатор – тверда речовина, а реагуючі речовини – гази або рідини. Прикладами можуть бути окиснення амоніаку (газоподібна фаза) при наявності платини (тверда фаза) або розклад гідроген пероксиду (рідка фаза) при наявності вугілля або манган(IV) оксиду (тверда фаза). Всі реакції при гетерогенному каталізі відбуваються на поверхні каталізатора. Тому активність твердого каталізатора залежить від властивостей його поверхні (розміру, хімічного складу, будови і стану).

Механізм дії каталізаторів звичайно пояснюють утворенням проміжних сполук з однією з реагуючих речовин. Так, якщо реакцію А + В = АВ, що відбувається повільно, проводити при наявності каталізатора К, то каталізатор вступатиме в хімічну взаємодію з однією з вихідних речовин з утворенням неміцної проміжної сполуки:

А + К = АК.

Реакція відбувається швидко, оскільки енергія активації цього процесу мала.

Потім проміжна сполука АК взаємодіє з іншою вихідною речовиною, при цьому каталізатор вивільняється.

АК + В = АВ + К.

Енергія активації цього процесу також мала, тому реаікція відбувається з достатньою швидкістю. Якщо тепер обидва процеси, що відбуваються одночасно, додати, то дістанемо остаточне рівняння реакції, що швидко відбувається:

А + В = АВ.

Поверхня каталізатора неоднорідна. На ній є так звані активні центри, на яких в основному і відбуваються каталітичні реакції. Реагуючі речовини адсорбуються на цих центрах, внаслідок чого збільшується концентрація їх на поверхні каталізатора. А це частково зумовлює прискорення реакції. Однак головною причиною зростання швидкості реакції є значне підвищення хімічної активності адсорбованих молекул. Під дією каталізатора в адсорбованих молекул послаблюються зв'язки між атомами і вони стають більш реакційноздатними. І в цьому випадку реакція прискорюється завдяки зниженню енергії активації (в тому числі і за рахунок утворення поверхневих проміжних сполук).

Деякі речовини знижують або й повністю знищують активність твердого каталізатора. Такі речовини називаються каталітичними отрутами. Як приклад можна навести сполуки Арсену, Меркурію, Плюмбуму, ціанисті сполуки, до яких особливо чутливі платинові каталізатори. У виробничих умовах отруєні каталізатори регенерують.

Однак існують і такі речовини, що підсилюють дію каталізаторів даної реакції, хоча самі не є каталізаторами. Ці речовини називаються промоторами (промотування платинових каталізаторів добавками заліза, алюмінію тощо). Слід особливо наголосити, що дія каталізаторів вибіркова, тому, застосовуючи різні каталізатори, можна з однієї і тієї самої речовини добути різні продукти.

Досвід показує, що для кожної реакції існує оптимальний каталізатор.

Роль каталізаторів у хімічному виробництві винятково велика. Добування сульфатної кислоти, синтез амоніаку, добування з твердого вугілля рідкого палива, переробка нафти й природного газу, добування штучного каучуку, пластмас, гідрогенізація жирів – ось далеко не повний перелік найважливіших виробництв, де застосовуються каталізатори. Очевидно, пошуки нових, все досконаліших каталізаторів сприятимуть підвищенню продуктивності праці і зниженню собівартості продукції.

Особливу роль відіграють біологічні каталізатори – ферменти. За їх участю відбуваються складні хімічні процеси у рослинних і тваринних організмах.

Запитання і завдання для контролю і самоконтролю знань

1. Що вивчає хімічна кінетика?

2. Охарактеризуйте константу швидкості. Який її фізичний зміст?

3. Чим відрізняється дія каталізаторів у гомогенних і гетерогенних системах?

Лекція 3.3. ХІМІЧНА РІВНОВАГА

План

3.3.1. Необоротні й оборотні реакції

3.3.2. Хімічна рівновага

3.3.3. Принцип Ле Шательє

Література

/1/ - Романова Н. В. Загальна та неорганічна хімія. – К.: Ірпінь, ВТФ

«Перун», 2002. – 480 с. (Розділ 6. § 6.6).

/2/ - Глинка Н. Л. Общая химия. – Л.: Химия, 1987. – 704 с.

(Глава VІ. § 63-65).

3.3.1. Необоротні й оборотні реакції

Реакції, які відбуваються тільки в одному напрямі і завершуються повним перетворенням вихідних реагуючих речовин у кінцеві речовини, називаються необоротними.

Прикладом такої реакції може бути розкладання калій хлорату (бертолетової солі) під час нагрівання:

2КСlО₃ = 2КСl + 3О₂↑.

Реакція припиниться тоді, коли весь калій хлорат перетвориться на калій хлорид і кисень. Необоротних реакцій не так багато. Більшість реакцій оборотні.

Оборотними називаються такі реакції, які одночасно відбуваються у двох взаємно протилежних напрямах.

У рівняннях оборотних реакцій між лівою і правою частинами ставлять дві стрілки, напрямлені у протилежні боки. Прикладом такої реакції може бути синтез амоніаку з водню й азоту:

³/₂Н₂ + ¹/₂N₂ ↔ NН₃, ∆H = – 46,2 кДж/моль.

У техніці оборотні реакції, як правило, невигідні. Тому різними методами (зміна температури, тиску тощо) їх роблять практично необоротними.

Необоротними називають такі реакції, під час перебігу яких:

1) продукти, що утворюються, виходять із сфери реакції – випадають у вигляді осаду, виділяються у вигляді газу, наприклад:

ВаСl₂ + Н₂SО₄ = ВаSО₄↓ + 2НСl;

Na₂СО₃ + 2НСl = 2NaСl + СО₂↑ + Н₂О;

2) утворюється малодисоційована сполука, наприклад вода:

НСl + NaОН = NaCl + Н₂О;

3) реакція супроводжується виділенням великої кількості енергії, наприклад горіння магнію:

Мg + ¹/₂О₂ = МgO, ∆H = – 602,5 кДж/моль.

У рівняннях необоротних реакцій між лівою і правою частинами ставиться знак «дорівнює» або стрілка.