У цьому параграфі ви дізнаєтеся:
• що таке каталіз;
• що таке позитивні і негативні каталізатори;
• чим гетерогенний каталіз відрізняється від гомогенного.
Що таке каталіз. Багато реакцій відбуваються дуже повільно, якщо просто змішати реагенти, але їх можна значно прискорити введенням деяких інших речовин — каталізаторів. Це речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції та не витрачаються під час її перебігу.
Каталіз — це явище збудження хімічної реакції або зміни її швидкості додаванням каталізаторів.
Позитивні каталізатори прискорюють реакцію, негативні каталізатори, або інгібітори, уповільнюють реакцію.
Інгібітори широко використовують під час хімічного очищення парових котлів від накипу, для зняття окалини з відпрацьованих виробів, а також під час зберігання та транспортування хлоридної кислоти в сталевій тарі. Вони захищають метал від роз’їдання (корозії) кислотою. Інгібіторами корозії служать як органічні речовини, так і неорганічні (силікати, нітрити, дихромати лужних елементів).
Каталізатори поділяють на гомогенні і гетерогенні.
Гомогенний каталіз. Гомогенні каталізатори перебувають у тому самому агрегатному стані, що й реагенти та продукти реакції, тобто в одній фазі (газоподібній або рідкій). У такому разі немає поверхні поділу між реагентами й каталізатором.
Каталізатори не входять до запису рівняння хімічної реакції. Яким же чином вони впливають на швидкість хімічної реакції? Механізм дії каталізаторів різний.
Гомогенний каталіз найчастіше здійснюється внаслідок утворення нестійких проміжних продуктів. Багаторазово беручи участь у проміжній хімічній взаємодії між реагентами реакції, каталізатор після кожного циклу відновлює свій хімічний склад.
Каталізатор K має легко вступати у взаємодію з однією з реагуючих речовин, наприклад з А:
Як наслідок проміжна сполука АK має легко взаємодіяти з другою речовиною В з утворенням кінцевої сполуки АВ і вільного каталізатора K:
Таким чином, каталізатор K набуває свого первісного складу з одночасним утворенням сполуки АВ.
Прикладом такого типу реакцій є реакція окиснення сульфур(^) оксиду до сульфур^І) оксиду за наявності нітроген(ІІ) оксиду як каталізатора:
У разі відсутності останнього ця реакція не відбувається. Механізм цієї реакції описують через утворення нестійкого проміжного продукту NO2:
Як бачимо, по закінченні реакції склад каталізатора NO не змінюється, його молекули знову беруть участь у каталізі.
Гетерогенний каталіз. Гетерогенні каталізатори (як правило, тверді речовини) перебувають в іншій фазі, ніж реагенти та продукти реакції (газоподібні або рідкі):
Механізм гетерогенного каталізу зумовлений властивістю речовини (твердої або рідкої) поглинати поверхневим шаром
інші речовини з розчину або газової суміші. При цьому речовина, яка поглинається поверхнею каталізатора, не проникає в його глибину.
Як правило, прагнуть одержати твердий каталізатор з максимально великою поверхнею. Реагуючі речовини швидко поглинаються саме такою поверхнею. У результаті збільшується кількість активних молекул, тобто таких, у яких послаблюється міцність хімічних зв’язків та відбувається їх подальший перерозподіл. Як наслідок утворюються продукти каталітичної реакції, що надалі видаляються з поверхні каталітора.
Основні поняття. Гомогенний каталіз. Гетерогенний каталіз.
Запитання та завдання
°1. Що називають каталізом?
°2. Які каталізатори називають позитивними, а які — негативними?
3. Чим гетерогенний каталіз відрізняється від гомогенного?
4. Як площа поверхні гетерогенного каталізатора може впливати на швидкість каталітичної реакції?
5. Роль каталізатора полягає у збільшенні чи зменшенні енергії молекул реагуючих речовин?
6. Чи взаємодіє каталізатор з вихідними речовинами і в чому полягає ця взаємодія?
7. Чому каталізатор не входить до рівняння хімічної реакції, хоча його склад відомий?
8. Наведіть приклади реакцій, які відбуваються з використанням каталізаторів: а) гомогенного; б) гетерогенного.
*9. Каталізатори змінюють швидкість хімічних реакцій, через те що змінюється:
а) температура; в) кількість зіткнень молекул;
б) концентрація речовин; г) кількість активних молекул.
Це матеріал з підручника Хімія 9 клас Бутенко (поглиблений рівень)