Тема 1. 7. Катализ
• Катализ - явление изменения скорости реакции под влиянием введенных в реакционную смесь веществ (катализаторов), которые, участвуя в процессе, к концу реакции не изменяют свой химический состав. • В случае положительного катализа скорость реакции с введением катализатора возрастает. • При отрицательном катализе течение химического процесса замедляется.
Особенности каталитических реакций 1. В химическое уравнение реакции катализатор не вводят. 2. Количество катализатора ничтожно мало по сравнению с количествами реагирующих веществ. 3. Катализатор в одинаковой мере действует на скорость прямой и обратной реакции. 4. Действие катализаторов специфично. 5. Катализаторы не изменяют величины теплового эффекта реакции. 6. Посторонние вещества по отношению к катализаторам могут быть: - нейтральными; - усиливающими действие — активаторы; - ослабляющими действие – каталитические яды.
Гомогенный катализ Гомогенным называют такой вид катализа, в котором катализатор составляет одну фазу с реагирующими веществами. Примерами этого процесса являются гидролиз сложных эфиров, крахмала, ускоряемые ионами Н+; процессы омыления сложных эфиров в присутствии ОН-.
Автокатализ • Автокатализ — ускорение реакции продуктами, получаемыми в этой же реакции. • Пример: реакция окисления щавелевой кислоты перманганатом калия в кислом растворе. Катализатор - ионы Mn 2+. • Скорость автокатализа в начальный момент времени очень мала, с появлением первых продуктов быстро увеличивается, затем снова замедляется. Промежуток времени, когда автокаталитическая реакция идет медленно, называют периодом индукции.
Адсорбция и абсорбция • Адсорбция в широком смысле — всякое изменение концентрации вещества у поверхности раздела двух фаз. • Вещество, поглощающее своей поверхностью молекулы или ионы других веществ, называется адсорбентом. • В некоторых случаях процесс, начавшийся на поверхности, распространяется вглубь поглотителя. Такой процесс называют абсорбцией, поглотитель — абсорбентом.
Удельная адсорбция При адсорбции происходит заполнение поверхности адсорбента частицами вещества до тех пор, пока между веществом, находящимся на поверхности и оставшимся в окружающей среде, не установится состояние равновесия. Количество вещества в молях (кг), поглощенное 1 м 2 поверхности при достижении равновесия в данных условиях, называется удельной адсорбцией Г, моль/м 2: Г = x/S где x — число моль адсорбированного вещества, S — поверхность адсорбента. Вместо S можно использовать массу адсорбента.
Изотерма адсорбция • 1 — количество адсорбированного газа растет пропорционально его давлению, • 2 — при повышении давления количество адсорбированного газа увеличивается в меньшей степени, • 3 — при достаточно высоких давлениях наблюдается насыщение поверхности адсорбента (образование мономолекулярного слоя)
Ионный обмен • Ионный обмен – процесс, при котором твердая фаза, практически не растворимая в воде, поглощает из раствора ионы при одновременном выделении в раствор эквивалентного количества других ионов. • К ионному обмены способны алюмосиликаты (цеолиты), ионообменные смолы, или иониты. • По характеру действия иониты разделяют на: - аниониты - катиониты - амфотерные иониты
Активные группы и противоионы • Иониты обладают объемной сетчатой структурой с размещением в определенных местах активных групп, способных к обмену. • Активные группы катионитов: -SO 3 H, -COOH, OH (из фенолов) и др. • Активные группы анионитов: -NH 2, =NH и др. • Вода, входя в сетчатый скелет ионита при его замачивании, гидратирует активные группы и вызывает их ионизацию: R – SO 3 H↔ R – SO 3 - + H+ противоион
Гетерогенный катализ • Гетерогенным называют такой вид катализа, когда катализатор и реагирующие вещества находятся в различных фазах. • Чаще всего в качестве катализаторов используют твердые материалы — контакты; реагирующие же вещества находятся в растворенном виде или являются газами (контактный катализ). • Катализаторы с целью увеличения поверхности часто наносят на твердое вещество - носитель
Простые и сложные катализаторы В контактном катализе используют простые (платина и металлы ее группы) и смешанные катализаторы, состоящие из двух и более веществ (гопкалит — смесь Cu. O + Mn. O 2 с добавлением Co. O, Ag 2 O и других оксидов тяжелых металлов).
Активные центры катализаторов • Многие катализаторы контактного катализа весьма чувствительны даже к ничтожным количествам каталитических ядов (которые не могут покрыть всю поверхность катализатора). Следовательно, на поверхности катализаторов имеются особые участки — активные центры, на которых и происходят каталитические процессы. Считают, что активные центры — это места, где по тем или иным причинам нарушено правильно расположение атомов в пространстве, свойственное кристаллу катализатора.