Скорость химических реакций

В химической промышленности катализаторы применяются  весьма широко. Под влиянием катализаторов  реакции могут ускоряться в миллионы раз и более. В некоторых случаях  под действием катализаторов  могут возбуждаться такие реакции, которые без них в данных условиях практически не протекают.

Существуют  катализаторы, оказывающие противоположный  эффект, т.е. замедляющие скорость реакций  – ингибиторы. Они замедляют нежелательные  процессы, например, коррозию. Катализаторы отличаются избирательностью (селективностью) действия. Например, в зависимости от вида катализатора и условий проведения реакции из этилового спирта можно получить до 40 видов различных продуктов. Огромное практическое значение катализаторов обусловлено возможностью быстрого, без затраты энергии получать в больших количествах самые разнообразные вещества. Химические производства, использующие катализаторы, перерабатывают самое дешевое сырье, которое дает природа: природные газы, воздух, руды, нефть, уголь и др., преобразуя их в синтетический каучук и другие полимеры, высококачественные бензины, аммиак, азотную и серную кислоты, минеральные удобрения, органические растворители, красители и многие другие ценные продукты. Явление селективного ускорения химических реакций под действием катализаторов называется катализом. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе реагенты и катализатор образуют одну фазу. Например, присутствие оксида азота (II) сильно ускоряет реакцию:

 

2SO₂ + O₂ = 2SO₃

 

в нитрозном  способе получения серной кислоты. Гомогенными катализаторами часто служат растворы кислот, оснований и солей (прежде всего -  солей d-элементов: Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu и др.). в случае гетерогенного катализа реагенты и катализатор образуют несколько фаз. Этот вид катализа происходит на границе раздела фаз – обычно на поверхности раздела между твердой и жидкой или твердой и газовой фазами. Например, синтез аммиака из азота и водорода удалось осуществить с помощью катализатора, представляющего собой смесь металлического железа с добавками оксида калия и алюминия:

 

N₂ + 3H₂ 2NH₃

 

Гидрирование  растительного масла протекает  на никелевом катализаторе (никель на кизельгуре). Действие катализаторов  связано с тем, что они вступают в промежуточное взаимодействие с реагентами, направляя процесс  на новый путь, характеризующийся  более низким энергетическим барьером.

Более сложен механизм гетерогенного катализа. Он связан с процессом адсорбции – явление поглощения частиц реагента (адсорбата) поверхностью катализатора (адсорбента). Различают физическую адсорбцию и химическую (хемосорбцию). При физической адсорбции частицы адсорбата и адсорбента связываются относительно непрочными межмолекулярными силами сцепления (силами Ван-дер-Ваальса). Этот процесс поэтому сопровождается небольшим отрицательным тепловым эффектом: (298К) = 8-20 кДж/моль и протекает обратимо.

При хемосорбции  за счет сил химического взаимодействия между частицами реагента и катализатора на поверхности последнего образуется новое химическое соединение. Указанный  процесс, как правило, сопровождается отрицательным тепловым эффектом, имеющим  величину порядка теплового эффекта  экзотермической химической реакции.

Гетерогенный  катализ протекает в несколько  стадий: за счет диффузии (диффузия –  процесс самопроизвольного перемещения  вещества, приводящий к установлению равномерного распределения концентраций в объеме) частицы реагентов подводятся к катализатору, и его поверхность адсорбирует их. При этом происходит процесс концентрирования вещества реагентов из объема газовой фазы на поверхности катализатора, что сопровождается сближением частиц катализатора – их химической активности; изменяется электронная структура взаимодействующих частиц и, как следствие, понижается активационный барьер. В результате на поверхности катализатора протекает реакция с высокой скоростью. Таким образом, промежуточными в гетерогенном катализе являются поверхностные соединения. Затем происходит десорбция продуктов взаимодействия с поверхности катализатора и их переход (за счет диффузии) в объем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы:

 

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – М.: Химия, 1988г.
2. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия. – М.: Высшая школа, 1997г.
3. Новиков Г.И. Основы общей химии. – М.: Высшая школа, 1988г.
4. Шиманович И.Е. и др. Общая химия в формулах, определениях, схемах. – Издательство «Полымя», 1996г.
5. Хлебников А.И., Аржанова И.Н., Напилкова О.А.  Общая химия: Учебное пособие. – Изд-во АГТУ им. И.И.Ползунова.