Работа №18. Влияние катализатора на скорость химических реакций.

Катализатором называется вещество, которое ускоряет реакцию, участвуя в той или иной элементарной стадии, но выходит многократно из такого взаимодействия химически неизменным.Явление изменения скорости реакции под действием небольших добавок таких специфических веществ, количество которых в ходе реакции практически не изменяется, называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими. В зависимости от фазового состояния катализатора и реагирующих веществ различают гомогенный и гетерогенный катализ. В случае гомогенного катализа катализатор и реагирующие вещества образуют одну фазу (газ или чаще раствор). При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях: часто катализатор - твердое вещество, а реагирующие вещества -газ или жидкость.

1. Гомогенный катализ. (Студент должен выполнить один из трех опытов по выбору)

В водных растворах пероксид водорода самопроизвольно медленно разлагается по уравнению: 2Н₂О_{2 =} 2Н₂О + О₂ . Присутствие в растворе некоторых твердых веществ, а также катионов и анионов некоторых соединений действует каталитически, ускоряя этот процесс. В зависимости от фазы реагентов и катализатора эта реакция в водных растворах может быть как гетерогенной, так и гомогенной. В данной работе катализатором является раствор дихромата калия, что и определяет гомогенный характер этой каталитической реакции.

Выполнение работы.Собрать прибор, изображенный на рис. 31.

Заполнить бюретку водой до нулевого деления, оттягивая через резиновую трубочку, вставленную в верхний кончик, при открытом кране. Закрыв кран,

под бюретку подвести газоотводную трубку от реакционной колбы. Вначале отмерить мерным цилиндром 30 мл 0,2%-ного раствора K2Cr2O7 и вылить в реакционную колбу. Сюда же налить 5 мл 2%-ного раствора Н2О2 и быстро подсоединить к газоотводной трубке. Температура опыта должна быть постоянной, для этого реакционную колбу опустить в ванну с водой. В течение 5 минут, через каждые 30 сек, отмечать объем выделившегося кислорода в результате каталитического разложения Н2О2 (V*(O2)). Перед каждым отсчетом объема жидкость в реакционной колбе энергично встряхивать. Провести аналогичный опыт без раствора K2Cr2O7, но с тем же объемом воды. Полученные данные записать в виде таблицы и рассчитать относительные скорости реакции с катализатором и без него.

Рис. 31. Прибор для изучения скорости гетерогенных химических реакций

Таблица

Задание: Полученные данные обработать графически: на оси абсцисс отложить время, а на оси ординат - объем выделившегося кислорода. Какую роль играет K₂Cr₂O₇? На что указывает изменение его окраски во время реакции? Восстанавливается ли окраска после окончания реакции? Во сколько раз увеличивается скорость реакции в присутствии катализатора?

2. Повторить опыт №1,выбрав в качестве катализатора 1 мл 3%-ного раствора FeCl₃ , а в реакционную колбу налить 15 мл 2%-ного раствора Н₂О₂.

3. Гетерогенный катализ.Повторить опыт №1, выбрав в качестве катализатора 0,1 мг MnO₂ или 0,1 мг PbO₂ .

4. Автокатализ. Нередко один из продуктов реакции служит катализатором, ускоряющим эту реакцию. Такого рода каталитические реакции, когда катализатор не вводится в систему извне, а является продуктом самой реакции, называется автокаталитическими.

Выполнение работы. В пробирку внести 5 капель 5%-ного раствора щавелевой кислоты Н₂С₂О₄ и 2 капли 2н раствора серной кислоты. Смесь перемешать. В капельную пипетку набрать разбавленный раствор перманганата калия и по каплям прибавлять его в пробирку с подкисленной щавелевой кислотой. По секундной стрелке отмерить время обесцвечивания от прибавленной первой капли, второй, третьей и т.д. Очередную каплю прибавлять после того, как исчезнет окраска от предыдущей.

Повторить этот опыт в другой пробирке, предварительно добавив к смеси щавелевой и серной кислот 4 капли раствора сульфата марганца. Результаты опытов записать в рабочую тетрадь. Написать уравнение реакции и объяснить, почему во втором случае реакция протекает быстро, а в первом постепенно ускоряется.