Катализ

Теоретические основы. Процесс изменения скорости химической реакции за счет введения в реакционную систему веществ, не участвующих в конечном итоге в данной реакции, называется катализом. Различают положительный и отрицательный катализ, то есть ускоряющий или замедляющий скорость данной реакции. Катализаторами называют вещества, увеличивающие скорость реакции и остающиеся после реакции в неизменном виде. Вещества, замедляющие скорость реакции называются ингибиторами. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе. Примером может служить окисление газообразного оксида серы (IV) до оксида серы (VI) с участием катализатора - оксида азота (IV) - тоже газа. Явление гомогенного катализа объясняется теорией образования промежуточных соединений, согласно которой в присутствии катализатора реакция протекает с его участием в несколько стадий. Схематично это может быть выражено так: А + В = АВ (реакция без катализатора идет медленно).

В присутствии катализатора К:

1-ая стадия А + К = АК (быстро, АК - промежуточное соединение)

2-ая стадия АК + В = АВ + К (катализатор К после реакции остается в химически неизменном виде).

В гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных фазах (как правило, катализатором является твердое вещество, на поверхности которого происходит ускорение реакции. Примером может служить реакция окисления оксида серы (IV) кислородом на поверхности платины.

Реакции, в которых один из продуктов является катализатором данного процесса, называются автокаталитическими.

Главной причиной ускоряющего действия катализаторов является снижение энергии активации, необходимой для протекания реакции.

Цель работы. Установление зависимости скорости химической реакции от наличия катализатора.

Порядок работы.

Опыт 1. Каталитическое разложение пероксида водорода.

В две пробирки налить по 1 мл 3% -ого раствора пероксида водорода Н₂О₂. В одну пробирку добавить на кончике шпателя порошок оксида свинца (IV), в другую - оксид марганца (IV). По интенсивности выделения газа сравнить каталитическое действие обоих оксидов.

Опыт 2. Каталитическое действие нитрат аниона.

Налейте в пробирку 0,5 мл раствора перманганата калия КMnO₄ и 10 мл 2N раствора серной кислоты. Перемешайте стеклянной палочкой и разлейте на две пробирки. В одну из них насыпьте немного нитрата калия и перемешайте еще раз для лучшего растворения соли. Затем опустите в обе пробирки по грануле металлического цинка. Отметьте пробирку, в которой реакция протекает быстрее.

Опыт 3. Автокатализ.

1.В коническую колбу налейте из бюретки 5 мл 2N раствора щавелевой кислоты, H₂C₂O₄ а затем - 5 мл 2N раствора серной кислоты и перемешайте их.

2. В реакционную смесь из бюретки добавьте 0,5 мл раствора перманганата калия и одновременно включите секундомер. Отметьте время, потребовавшееся для исчезновения окраски раствора.

3. Добавьте в ту же колбу еще 0,5 мл перманганата калия и снова измерьте время до момента исчезновения окраски раствора.

4. Повторите еще три раза.

Форма лабораторного отчета.

1. Название лабораторной работы.

2. Краткое описание, цель работы.

3. К опытам 1 и 2: составьте уравнения реакции, сделайте вывод в каждом опыте о влиянии катализаторов на скорость химических реакции.

4. К опыту 3:

а) Заполните таблицу:

№ опыта	Объем (мл) Н2С2О4	Объем (мл) Н2SО4	Объем (мл) KMnО4	Начальная конц. ионов Mn2+	Время реакции (сек)

б) Постройте график зависимости времени течения реакции

2KMnO₄ + 5H₂C₂O₄ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ +10CO₂ + 8H₂O

от концентрации ионов Mn²⁺, образующихся в процессе реакции и являющихся катализатором данной реакции.

в) Сделайте вывод о скорости течения автокаталитических реакций.

Контрольные вопросы.

1. Приведите примеры гомогенного и гетерогенного катализа.

2. Каково влияние катализаторов на энергию активации?

3. От каких факторов зависит скорость гомогенной авто-каталитической реакции? гетерогенной?