Катализ

Одним из наиболее распространенных в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ. В присутствии катализаторов изменяется путь, по которому проходит суммарная реакция, а потому изменяется ее скорость. Катализаторы — это вещества, изменяющие скорость реакции за счет участия в промежуточном химическом взаимодействии с компонентами реакции, но восстанавливающие после каждого цикла промежуточного взаимодействия свой химический состав. Увеличение скорости катализируемой реакции связано с меньшей энергией активации нового пути реакции.

Изменение скорости катализируемой реакции за счет снижения энергии активации ее отдельных стадий можно рассмотреть на следующем примере. Допустим, между веществами А и В возможно взаимодействие с образованием соединения АВ (∆G < 0):

А + В → А...В → АВ

Но в силу высокой энергии активации эта реакция протекает с очень малой, практически равной нулю скоростью. Пусть найдено такое третье вещество К (катализатор), которое легко вступает во взаимодействие с А (в силу другой природы реагирующих веществ, а следовательно, другой, меньшей, энергии активации), образуя соединение АК:

А + К → А...К → АК

Соединение же АК легко взаимодействует с веществом В (опять-таки в силу иной природы веществ и малой энергии активации), образуя вещества АВ и К:

В + АК → В...АК → АВ + К

Суммируя два последних уравнения, получим А + В = АВ т.е. в результате реакции катализатор остался без изменения.

Пример 1. Вычисление скорости реакции по концентрациям реагирующих веществ.

Реакция между веществами А и В протекает по уравнению 2А+В=С; концентрация вещества А равна 6 моль∙л^-1, а вещества В-5 моль∙л^-1. Константа скорости реакции равна 0,5л²∙моль^-2 с^-1. Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в реакционной системе останется 45% вещества В.

Решение. Скорость химической реакции выражается уравнением υ=k[A]²[B]. Скорость химической реакции в начальный момент равна υ₁=0,5∙6²∙5=90,0 моль∙с^-1∙л^-1. Через некоторое время в реакционной смеси останется 45% вещества В, т.е. концентрация вещества В станет 5∙0,45=2,25моль∙л^-1. Следовательно, концентрация вещества В уменьшилась на 5,0-2,25=2,75 моль∙л^-1, а концентрация вещества А уменьшилась на 5,5 моль∙л^-1 и стала равной 0,5моль∙л^-1 (6-5,5). Отсюда υ₂=0,5∙(0,5)2∙2,25=0,28 моль∙с^-1∙л^-1.

Пример 2. Влияние давления на скорости реакции.

Определите, как изменится скорость прямой реакции 2СО+О₂=2СО₂, если общее давление в системе увеличить в 4 раза.

Решение. При увеличении давления в 4 раза объем системы уменьшится в 4 раза, а концентрация реагирующих веществ возрастет в 4 раза. Тогда υ₁=k[CO]2[O₂], а υ₂= k[4CO]2[4O₂];