Влияние катализатора на скорость реакции

Дата: 2025-06-14; Просмотры: 5

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

В присутствии катализатора скорость реакции резко изменяется. Катализаторами называются вещества, которые не расходуются в реак­ции (если и расходуются в промежуточных ее этапах, то полностью регенерируются по завершении реакции), но способствуют изменению ее скорости. Процесс изменения скорости химической реакции под действием катализаторов называется катализом. Различают катализ положительный (при котором скорость реакции увеличивается) и отрицательный (уменьшающий скорость реакции). Свойствами катализатора может обладать один из продуктов реакции (автокатализ, который так же может быть положительным и отрицательным). Катализ по агре­гатному состоянию веществ, участвующих в реакции, делят на гомогенный и гетерогенный. Если все взаимодействующие вещества и сам катализатор находятся в одной фазе, то катализ называется гомогенным, если же взаимодействующие вещества и катализатор находятся в разных фазах, то катализ — гетерогенный. Каталитические реакции характеризуются следующими особенностями: 1) катализатор не потребляется в ходе реакции, количество его остается неизменным; 2) катализатор не изменяется химически в ходе реакции, но может изменяться физически: спекаться, разрыхляться и при длительной работе терять свою активность (стареть); 3) ничтожно малое количество катализатора (по сравнению с количеством реагирующего вещества) значительно изменяет скорость реакции, причем действие катализатора примерно пропорционально его концентрации; для многих гомогенных реакций

k ₂ = k ₁ + аС

где k ₂ — константа скорости реакции в присутствии катализатора; k ₁ — константа скорости реакции при отсутствии катализатора; а - каталитический коэффициент; с — концентрация катализатора; 4) действие катализатора специфично; однако существуют катализаторы, ускоряющие многие реакции, например Pt, Ni при гетерогенном катализе, ионы Н⁺ в гомогенном катализе; 5) катализатор в обратимой реакции не смещает равновесия, а в одинаковой мере ускоряет и прямую и обратную реакции; 6) катализаторы чувствительны к наличию некоторых посторонних веществ, причем могут быть вещества, увели­чивающие каталитическую активность катализатора (промоторы) и уменьшающие или совсем прекращающие его действие (яды). Основ­ная проблема теории катализа состоит в определении и предсказании эффективных катализаторов без обычных экспериментальных изыска­ний.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор находится в одной фазе с реагирующими веще­ствами. При гетерогенном катализе катализатор — самостоятельная фаза, отделенная от реагирующей системы границей раздела, где и происходит реакция. Роль катализатора обычно сводится к участию в образовании лабильных промежуточных соединений с исходным веществом. В процессе реакции осуществляется многократное повторе­ние циклов, включающих поочередное связывание и регенерацию ката­лизатора.

В гомогенном катализе образуются промежуточные соединения стехиометрического состава в отличие от гетерогенного катализа, где поверхностные промежуточные соединения образуются за счет адсорб­ции и не имеют стехиометрического состава.

При изучении катализа установлены две важные закономерности:

1. В присутствии катализатора снижается энергия активации — механизм реакции изменяется и она протекает по другому пути, энер­гетически более выгодному. Этим и объясняется увеличение скорости реакции под влиянием катализатора.

2. В гомогенном катализе скорость реакции пропорциональна кон­центрации катализатора.

Представления об образовании промежуточных соединений при катализе и использование метода стационарных концентраций позволя­ют вывести кинетические уравнения, которые хорошо согласуются с опытными данными для многих гомогенных каталитических реакций.

Наиболее часто встречающиеся виды гомогенного катализа:

1. Окислительно-восстановительный катализ. В этом случае ката­лизаторами обычно служат ионы, способные к различной степени окис­ления и восстановления.

2. Катализ термического разложения. Примером может служить разложение перекиси водорода. В этом процессе обнаружено более 150 промежуточных соединений с разными катализаторами.

3. Кислотно-основной катализ. Наиболее важным является специ­фический кислотно-основной катализ, который осуществляется ионами нодорода и гидроксила. Он широко распространен в органической хи­мии; например, гидролиз эфиров, инверсия сахаров, этерификация кислот и спиртов и др. В сильнокислых растворах эти реакции катали­зируются только ионами Н₃О⁺ и скорость реакции может быть рассчитана по уравнению

V = k_H+ [H₃O⁺][S],

где k_H+ — каталитический коэффициент; a S — субстрат (реагирующее вещество).

В щелочной среде скорость реакции пропорциональна концентрации ионов гидроксила:

V = k_OH-[OH-][S]

В средах, близких к нейтральным, когда катализ осуществляется ионами Н₃O⁺ и ОН^-, скорость реакции выражается уравнением

v = k₀ [S] + k_H+ [H₃O⁺][S]+ k_OH- [ОН^-] [S]

где k_o - константа скорости реакции в отсутствии катализатора. Для реакции I-го порядка скорость реакции V = k [S], тогда экспериментальная константа скорости k рассчитывается по уравнению

k = k₀ + k_H⁺ [H₃O⁺] + k_OH-[OH^-]

Если скорость реакции в отсутствии катализатора мала, то уравнение принимает вид

k = k_H⁺ [H₃O⁺] + k_OH-[OH^-]

Кроме того, катализ может осуществляться веществами — донорами или акцепторами протонов (кислоты и основания Бренстеда). Такой кислотно-основной катализ называется общим.