3.2 Влияние катализатора

Катализатораминазываются вещества, которые не входят в конечные продукты реакции, химически не изменяются и не расходуются, но изменяют скорость химических реакций. Катализаторы позволяют изменять скорость химической реакции, не изменяя температуру системы. Одни катализаторы сильно ускоряют реакции (положительный катализ), другие, напротив, замедляют реакции (отрицательный катализ).Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При гомогенном катализе реагенты и катализатор находятся в одной фазе (жидкость или газ), при гетерогенном – в различных фазах (обычно катализатор твердый). Вне зависимости от вида катализа, реакции при участии катализатора протекают через образование промежуточного комплекса с катализатором, и роль катализатора в том, что образование этого комплекса приводит к снижению или повышению энергии активации. В результате, в силу экспоненциальной зависимости (3.7), скорость реакции резко возрастает или, напротив – убывает.

Действие катализатора избирательно. Подбирая катализаторы, можно из одного и того же вещества получать совершенно различные продукты. Для каждой реакции имеется свой катализатор. Часто в качестве катализаторов применяют твердые вещества: платину, палладий, железо, натрий, калий; оксиды Al₂O₃,MnO₂,Cr₂O₃; активированный уголь, силикагель и другие.

Катализ имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека и в природе. Одни катализаторы направляют химический синтез веществ с заданными свойствами, другие (ингибиторы) – предотвращают нежелательные реакции разрушения деталей машин, зданий, сооружений и самых различных материалов. Область применения катализаторов в современных технологиях просто необозрима. Производство аммиака, азотной и серной кислот, формальдегида, этилена, ацетилена, спиртов, каучука и многих технически важных полимеров является каталитическими процессами. Крекинг и реформинг нефтепродуктов – многотоннажные каталитические процессы. Жизнедеятельность организмов любого уровня сложности сопровождается процессами ферментативного катализа. Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, обладающие исключительно эффективным и селективным действием.

Задачи

51Реакция идет по уравнениюA_(Г)+ 2B_(Г)C_(Г). Как изменится скорость реакции, если давление увеличить в 3 раза и одновременно повысить температуру на 30 ˚С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.

Ответ: увеличится в 729 раз.

52 Реакция протекает по уравнению 2A_(Г) + B_(Г)  2C_(Г). Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 2 раза и одновременном понижении температуры на 40 ˚С? Температурный коэффициент скорости равен 2.

Ответ: уменьшится в 128 раз.

53Скорость реакции возросла в 243 раза, температурный коэффициент равен 3. На сколько градусов была повышена температура?

Ответ: на 50 ˚С.

54Скорость реакции возросла в 100 раз. Температурный коэффициент равен 2,5. На сколько градусов была повышена температура?

Ответ: на 50 ˚С.

55При повышении температуры на 50 ˚С скорость реакции возросла в 32 раза. Вычислите температурный коэффициент скорости реакции.

Ответ: γ = 2.

56При понижении температуры на 45 ˚С реакция замедлилась в 35 раз. Определите температурный коэффициент скорости реакции.

Ответ: γ = 2,2.

57Реакция протекает по уравнениюN₂+ 3H₂2NH₃. Как изменится скорость реакции, если концентрацию азота увеличить в 4 раза, а концентрацию водорода – в 2 раза?

Ответ: возрастет в 32 раза.

58Реакция протекает по уравнению 2A+BC. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л):C_A= 0,8,C_B= 0,6. Как изменится скорость реакции, если концентрацию веществаВувеличить до 0,9, а веществаАдо 1,2 моль/л?

Ответ: возрастет в 3,4 раза.

59Реакция протекает по уравнению 2A+BC. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л):C_A= 2,5,C_B= 8. Как изменится скорость реакции, если концентрацию веществаАуменьшить до 1,5, а веществаВдо 4 моль/л?

Ответ: уменьшится в 5,6 раза.

60РазложениеN₂Oпротекает по уравнению 2N₂O= 2N₂+O₂. Константа скорости равна 510^–4 л/мольмин. По истечении некоторого времени концентрацияN₂Oстала равной 3 моль/л. Сколько процентовN₂Oразложилось, если отношение конечной скорости к начальной равно 0,36? Какова начальная скорость реакции?

Ответ: 40 %; 0,0125 моль/лмин.

61Омыление этилацетата описывается следующим уравнениемCH₃COOC₂H₅+NaOHCH₃COONa+C₂H₅OH. Начальная концентрация эфира 0,02 моль/л, щелочи 0,1 моль/л. По истечении некоторого времени прореагировало 75 % эфира, и скорость реакции стала равной 4,2510^–5моль/лмин. Вычислить начальную скорость реакции.

Ответ: 210^–4моль/лмин.

62 Реакция между веществамиАиВвыражается следующим уравнением 2A+BC. Константа скорости равна 0,7 л²/моль²мин. Начальная концентрация веществаВравна 0,6 моль/л. После того как прореагировало 40 % веществаА, его концентрация стала равной 0,3 моль/л. Найдите начальную скорость и скорость реакции в тот момент, когда прореагирует 40 % веществаА.

Ответ: 0,105; 0,0315 моль/лс.

63Реакция между веществамиАиВпротекает по следующему уравнению 2A+BC. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л):C_A= 6,C_B= 5. Константа скорости реакции равна 0,5 л²/моль²c. Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в системе останется 45 % веществаВ.

Ответ: 90; 0,28 моль/лc.

64–67Константа скорости реакции приt₁ ˚Cравнаk₁, приt₂ ˚C–k₂. Энергия активации равнаE_a, кДж/моль. Вычислить величины, обозначенные вопросом.

№ задачи	t1, ˚C	k1	t2, ˚C	k2	, кДж/моль	Ответ
64	30	0,02	60	?	63	0,19 с–1
65	20	0,03	50	0,4	?	67,9 кДж/моль
66	0	410–5	7	7,710–5	?	59,4 кДж/моль
67	25	210–3	15	?	103,5	4,710–4с–1

68–70Рассчитайте, во сколько раз изменится константа скорости реакции при увеличении температуры от t₁ ˚Cдоt₂ ˚C, если энергия активации равна, кДж/моль.

№ задачи	t1, ˚C	t2, ˚C	Ea, кДж/моль	Ответ
68	227	727	95,6	10
69	57	127	180,2	10
70	227	727	38,2	10

71Во сколько раз станет больше скорость прямой реакции по сравнению со скоростью обратной реакции в системе 2A_(Г)+ 3B_(Г)2C_(Г)при увеличении давления в 2 раза?

Ответ: в 8 раз.

72В системе 2A+BCконцентрациюАувеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрациюВ– от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

Ответ: в 48 раз.

73Реакция протекает по уравнениюH_2(Г)+I_2(Г)2HI_(Г). Константа скорости реакции равна 0,16 моль/л. Начальные концентрации веществ были (моль/л):С= 0,04,С= 0,05. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когдаСстала равной 0,03 моль/л.

Ответ: 3,210^–4; 1,910^–4моль/лc.

74Реакция протекает по уравнениюA+BC. Начальные концентрации веществA= 0,1 моль/л,В= 0,1 моль/л. Через некоторое время концентрация веществаАстала равной 0,04 моль/л. Во сколько раз уменьшится скорость реакции?

Ответ: в 6,25 раза.

75Реакция идет по уравнениюA+ 2BC. Константа скорости равна 0,4 л²/моль²с, а начальные концентрации (моль/л):C_А= 0,3,C_В= 0,5. Вычислите скорость реакции в начальный момент и после того, как прореагирует 0,1 моль/л веществаА.

Ответ: 0,03; 0,0072 моль/лc.

76Реакция протекает по уравнению 3H₂+N₂2NH₃. Скорость реакции увеличилась в первом случае в 216 раз в результате увеличения концентрации H₂, а во втором в 256 раз в результате повышения давления. Во сколько раз были увеличены концентрация H₂ и давление?

Ответ: в 6 и 4 раза.

77Реакция протекает по уравнению 2N₂O= 2N₂+O₂. Константа скорости реакции равна 510^–4л/мольмин. Начальная концентрация N₂Oравна 3,2 моль/л. Вычислите скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда разложится 25 %N₂O.

Ответ: 5,1210^–3; 28,810^–4моль/лмин.

78Реакция протекает по уравнению наA_(Г)+ 2B_(Г)C_(Г). Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 4 раза и одновременном понижении температуры на 20 ˚C? Температурный коэффициент скорости равен 3.

Ответ: уменьшится в 576 раз.

79Вычислите константу скорости реакции 2A+BC, если при концентрацияхАиВ, равных соответственно 0,5 и 0,6 моль/л, ее скорость составляет 0,018 моль/лмин.

Ответ: 0,12 л²/моль²мин.

80Реакция протекает по уравнению 2NO+O₂2NO. Начальные концентрации веществ равны (моль/л);C= 0,03,C= 0,05. Как изменится скорость реакции вследствие увеличения концентрации кислорода до 0,1, а оксида азота до 0,06 моль/л?

Ответ: увеличится в 8 раз.