Влияние катализатора

Катализаторами называются 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

51 Реакция идет по уравнению A _(Г) + 2 B _(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 2 A _(Г) + B _(Г) ® 2 C _(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.

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

Ответ: на 50 ˚С.

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

Ответ: на 50 ˚С.

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

Ответ: γ = 2.

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

Ответ: γ = 2,2.

57 Реакция протекает по уравнению N₂ + 3H₂ Á 2NH₃. Как изменится скорость реакции, если концентрацию азота увеличить в 4 раза, а концентрацию водорода – в 2 раза?

Ответ: возрастет в 32 раза.

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

Ответ: возрастет в 3,4 раза.

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

Ответ: уменьшится в 5,6 раза.

60 Разложение N₂O протекает по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂. Константа скорости равна 5×10^–4л/моль×мин. По истечении некоторого времени концентрация N₂O стала равной 3 моль/л. Сколько процентов N₂O разложилось, если отношение конечной скорости к начальной равно 0,36? Какова начальная скорость реакции?

Ответ: 40 %; 0,0125 моль/л×мин.

61 Омыление этилацетата описывается следующим уравнением CH₃COOC₂H₅ + NaOH Á 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^–5 моль/л×мин. Вычислить начальную скорость реакции.

Ответ: 2×10^–4 моль/л×мин.

62 Реакция между веществами А и В выражается следующим уравнением 2 A + B ® C. Константа скорости равна 0,7 л²/моль²×мин. Начальная концентрация вещества В равна 0,6 моль/л. После того как прореагировало 40 % вещества А, его концентрация стала равной 0,3 моль/л. Найдите начальную скорость и скорость реакции в тот момент, когда прореагирует 40 % вещества А.

Ответ: 0,105; 0,0315 моль/л×с.

63 Реакция между веществами А и В протекает по следующему уравнению 2 A + 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 % вещества В.

Ответ: 90; 0,28 моль/л×c.

64–67 Константа скорости реакции при t₁ ˚C равна k₁, при t₂ ˚C – k₂. Энергия активации равна E_a, кДж/моль. Вычислить величины, обозначенные вопросом.

№ задачи	t₁, ˚C	k₁	t₂, ˚C	k₂	, кДж/моль	Ответ
		0,02		?		0,19 с^–1
		0,03		0,4	?	67,9 кДж/моль
		4×10^–5		7,7×10^–5	?	59,4 кДж/моль
		2×10^–3		?	103,5	4,7×10^–4с^–1

68–70 Рассчитайте, во сколько раз изменится константа скорости реакции при увеличении температуры от t₁ ˚C до t₂ ˚C, если энергия активации равна , кДж/моль.

№ задачи	t₁, ˚C	t₂, ˚C	E_a, кДж/моль	Ответ
			95,6	10
			180,2	10
			38,2	10

71 Во сколько раз станет больше скорость прямой реакции по сравнению со скоростью обратной реакции в системе 2 A _(Г) + 3 B _(Г) Á 2 C _(Г) при увеличении давления в 2 раза?

Ответ: в 8 раз.

72 В системе 2 A + B ® C концентрацию А увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию В – от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

Ответ: в 48 раз.

73 Реакция протекает по уравнению H_2(Г) + I_2(Г) Á 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, когда С стала равной 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2×10^–4; 1,9×10^–4 моль/л×c.

74 Реакция протекает по уравнению A + B ® C. Начальные концентрации веществ A = 0,1 моль/л, В = 0,1 моль/л. Через некоторое время концентрация вещества А стала равной 0,04 моль/л. Во сколько раз уменьшится скорость реакции?

Ответ: в 6,25 раза.

75 Реакция идет по уравнению A + 2 B ® 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 вещества А.

Ответ: 0,03; 0,0072 моль/л×c.

76 Реакция протекает по уравнению 3H₂ + N₂ Á 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.

77 Реакция протекает по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂. Константа скорости реакции равна 5×10^–4л/моль×мин. Начальная концентрация N₂O равна 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^–4 моль/л×мин.

78 Реакция протекает по уравнению на A _(Г) + 2 B _(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.

79 Вычислите константу скорости реакции 2 A + B ® C, если при концентрациях А и В, равных соответственно 0,5 и 0,6 моль/л, ее скорость составляет 0,018 моль/л×мин.

Ответ: 0,12 л²/моль²мин.

80 Реакция протекает по уравнению 2NO + O₂ Á 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?