Лекция по темам: «Каталитические реакции».

«Цепные реакции»

Учебные вопросы

1. Катализ и каталитические реакции

2. Сущность каталитического действия

3. Гомогенный катализ

4. Гетерогенный катализ

5. Цепные реакции

1. Каталитические реакции

Катализаторы - вещества, изменяющие скорость реакции и остающиеся к концу реакции химически неизменными.

Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ, называется катализом.

Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими реакциями.

При увеличении скорости реакции под действием катализатора катализ называется положительным, при ее уменьшении – отрицательным. Иначе отрицательный катализ называют ингибированием, а вещество, уменьшающее скорость реакции, - ингибитором.

Реакции, в которых катализатором является продукт реакции, называются автокаталитическими.

Важным свойством катализаторов является селективность (избирательность) их действия, проявляющаяся в увеличении скорости только определенной из нескольких возможных реакций.

Вещества, малые примеси которых могут сильно снижать или полностью подавлять активность катализатора, называются каталитическими ядами.

Промоторы – вещества, которые увеличивают активность катализаторов, хотя сами таковыми не являются.

По фазовому принципу различают гомогенный и гетерогенный катализ.

2. Сущность каталитического действия

Катализ обусловлен промежуточным химическим взаимодействием реагирующих веществ с катализатором, в результате которого открывается новый реакционный путь. Ускорение процессов с помощью катализаторов достигается за счет того, что появляются новые механизмы, при которых, медленные стадии заменяются более быстрыми.

Простейшая схема превращения веществ А и В в вещество АВ с участием катализатора К включает образование активного промежуточного комплекса АК:

A + K  AK

АК + В  АВ + К

-------------------------------------

А + В  АВ

Независимо от механизма действия, роль катализатора с точки зрения энергетики реакции сводится к снижению энергии активации (Е а кат  Еа ), за счет чего увеличивается константа скорости реакции (рис. 1).

При этом катализатор не оказывает влияния на термодинамические характеристики реакции – изменения энтальпии, энтропии и энергии Гиббса при переходе от исходных веществ к конечным.

Рис.1. Реакция с участием катализатора

Катализатор может также способствовать достижению необходимой для взаимодействия молекул ориентации, повышая энтропию активации.

3. Гомогенный катализ

Гомогенным катализом называют катализ, при котором катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газовую или жидкую).

Примером гомогенного газофазного каталитического процесса может служить окисление диоксида серы SO₂ до триоксида SO_3. Без катализатора диоксид серы очень медленно окисляется кислородом.

При производстве серной кислоты камерным способом процесс окисления диоксида серы до триоксида катализируется оксидом азота (II), который открывает для реакции новый путь, не включающий медленной стадии взаимодействия диоксида серы с молекулярным кислородом:

2 SO₂ (г) + О₂ (г) 2 SO₃ (г)

Катализатор NO вступает в реакцию с кислородом О₂ , образуя промежуточный продукт NO₂,

2NO (г) + O₂ (г)  2NO₂(г) .

NO₂ затем реагирует с SO₂ по реакции

2SO₂ (г) + 2NO₂ (г) = 2SO₃ (г) + 2NO (г),

в результате которой получается конечный продукт и выделяется катализатор в химически неизменном виде и в первоначальном количестве.

Примером гомогенного катализа жидкофазного может служить каталитическое разложение пероксида водорода в водном растворе на воду и кислород в присутствии иодид-ионов:

H₂O₂ (р-р) H₂O (ж) + 0,5 O₂ (г)

К преимуществам гомогенного катализа можно отнести высокую эффективность действия катализаторов, т.к. реакция идет во всем объеме сосуда. Но практическое выделение продуктов из реакционной смеси может быть затруднено.