Методические указания к лабораторной работе по курсу «Общая химия» для студентов 1-го курса всех технических направлений очной формы обучения

КАТАЛИЗ

Методические указания к лабораторной работе

по курсу «Общая химия» для студентов 1-го курса

всех технических направлений очной формы обучения

Комсомольск-на-Амуре

2015

УДК 378:54

Катализ: методические указания к лабораторной работе по курсу «Общая химия» / сост. Н.Д.Назаренко. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВПО «КнАГТУ», 2015. – 8 с.

Рассмотрены основные виды катализа. Изучается влияние катализатора на скорость химических реакций. Методические указания предназначены для студентов 1 курса всех технических специальностей очной формы обучения.
Печатается по постановлению редакционно-издательского совета Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Согласовано с отделом менеджмента качества.

Рецензент В. В. Телеш

1 ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ

Катализом называется ускорение химических реакций в присутствии веществ-катализаторов, которые, участвуя в реакциях, остаются к концу реакции химически неизменными.

Необходимо отметить характерные свойства каталитических реакций.

1. 
   Катализатор не изменяется после реакции в химическом отношении.
   
2. 
   В первом приближении, как правило, скорость реакции прямо пропорциональна количеству катализатора.
   
3. 
   Катализатор не смещает химического равновесия.
   
4. 
   Отличительной особенностью каталитических реакций является понижение энергии активации.
   
5. 
   Катализатор обладает избирательностью, то есть он может изменять скорость одной реакции, но не влиять на скорость другой.
   

Влияние катализатора на скорость реакции в основном объясняется тем, что он, меняя механизм процесса, снижает энергию активации реакции.

Мерой активности катализатора является изменение скорости химической реакции в результате введения в систему катализатора. Количественно активность катализатора оценивается производительностью катализатора (Ак). Под производительностью его подразумевают количество вещества, получающееся в единицу времени (t) c единицы площади поверхности (Sкат.), массы (mкат) или объема (Vкат.) катализатора, т.е.

mк

Ак =----------

1. 
   Гомогенный катализ
   

В гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе. Наиболее важным случаем такого вида катализа являются каталитические реакции в растворах.

Основной механизм гомогенной каталитической реакции – образование промежуточных реакционноспособных соединений. Если между веществами А и В возможна реакция (некаталитическая) с образованием вещества АВ, то ее механизм можно представить следующим образом:
А + В (АВ)* АВ

активированный

комплекс

В присутствии катализатора механизм реакции будет другим:

А + К АК

АК + В (АВК)* АВ + К

активированный

комплекс

На первой стадии образуется реакционноспособное промежуточное соединение АК в результате взаимодействия вещества А с катализатором К. На второй стадии это соединение реагирует с другим веществом В, образуя активированный комплекс (АВК)*, который распадается на продукт реакции АВ с высвобождением катализатора К.

На рисунке 1 показано снижение энергии активации каталитической реакции по сравнению с некаталитической.
(AB)*

E

E_кат

путь реакции

Е – энергия активации некаталитической реакции;

Е_кат – энергия активации каталитической реакции;

Н – энтальпия (тепловой эффект) реакции.
Рисунок 1 – Снижение энергии активации при каталитической реакции

2. 
   Гетерогенный катализ
   

При гетерогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Наиболее важным случаем гетерогенного катализа являются реакции, в которых катализатор представляет собой твердую фазу, а реагирующие вещества жидкие или газообразные. При гетерогенных каталитических реакциях процесс протекает на поверхности раздела фаз. Следовательно, скорость таких реакций зависит от величины поверхности катализатора. Существенную роль при гетерогенном катализе играет процесс поглощения поверхностью катализатора реагирующих частиц (процесс адсорбции). В процессе адсорбции изменяется структура электронных оболочек молекул и, как следствие, понижается активационный барьер.

3. 
   Автокатализ
   

В этом случае роль катализатора играет один из продуктов реакции. По мере взаимодействия в процессе участвует все большее количество катализатора, поэтому скорость реакции постоянно возрастает.

2 ЭКСПЕРИМЕНТ

Опыт 1 Гомогенный катализ

Налейте в пробирку 1 мл 0,1%-го раствора KMnO₄ и 15 мл 2н раствора H₂SO₄. Половину полученного раствора отлейте в другую пробирку. В первую пробирку добавьте несколько капель KNO₃ и пробирку встряхните. Затем в обе пробирки добавьте по два кусочка цинка. Отметьте наблюдения.

Во второй пробирке (некаталитическая реакция) протекает процесс, описываемый уравнением:

2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 10H = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O.
Атомарный кислород появился в результате взаимодействия цинка с кислотой.

В первой пробирке (каталитическая реакция) механизм процесса можно представить так:

5KNO₃ + 10H = 5KNO₂ + H₂O,

5KNO₂ + 2KMnO₄ + 3H₂SO₄ = 5KNO₃ + 2MnSO₄ +K₂SO₄ + 3H₂O.

Суммарное уравнение процесса:
2KMnO₄ + 3H₂SO₄ + 10H = K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O.

Запишите уравнения реакций. Укажите, в какой пробирке реакция идет быстрее и какое вещество является катализатором.

Опыт 2 Гетерогенный катализ (демонстрационный,

выполняется в вытяжном шкафу)
В колбу на 500 мл налейте немного концентрированного раствора аммиака и закройте пробкой. Нагрейте в железной ложечке оксид хрома Cr₂O₃ , внесите его в колбу с аммиаком и встряхните.

Отметьте наблюдения. Напишите уравнение реакции взаимодействия аммиака с кислородом, учитывая, что окисление идет без образования оксидов азота. Укажите, какое вещество является катализатором в данной реакции.

Опыт 3 Автокатализ

В колбу налейте 10 мл 2н раствора H₂C₂O₄ , затем 10 мл 2н раствора H₂SO₄ , полученный раствор перемешайте и добавьте в ту же колбу 3 мл 0,1%-го раствора KMnO₄ .Непрерывно взбалтывая колбу, следите за изменением окраски раствора. Отметьте время, в течение которого раствор обесцветится.

Добавьте в ту же колбу еще 3 мл 0,1%-го раствора KMnO₄. Продолжая встряхивать колбу, определите время в течение которого раствор вновь обесцветится.

Повторите опыт еще дважды, прибавляя каждый раз по 3 мл 0,1-%го раствора KMnO₄. Результаты опытов внесите в таблицу 1.

Таблица 1

Номер опыта	Содержание KMnO4, мл	Время исчезновения окраски t, с	Скорость реакции , c-1
1
2
3
4

Постройте график зависимости скорости реакции от концентрации KMnO₄ в растворе.

Процесс описывается уравнением:
2KMnO₄ + 5H₂C₂O₄ + 3H₂SO₄ = 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 10CO₂ + 8H₂O.
Катализатором в данной реакции является ион Mn⁺². Почему данная реакция является автокаталитической ?

3. 
   ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
   

1) Соблюдайте осторожность при работе с кислотами. Не допускайте их проливания.

2) Опыт с аммиаком проводите только в вытяжном шкафу.

3) Соблюдайте осторожность при работе со стеклом.

3. 
   КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
   

1) Что называется катализом ? катализатором ?

2) Назовите основные признаки каталитических реакций.

3)Что такое гомогенный, гетерогенный катализ? Ответ иллюстрируйте конкретными примерами.

4)Гомо- и гетерогенный катализ в промышленности. Ответ подтвердите конкретными примерами.

5)Что является катализатором в опыте №1? Как объясняется механизм действия катализатора при гомогенном катализе?

6)Объясните механизм действия катализатора на скорость химической реакции при гетерогенном катализе.

7)Что называется адсорбцией, физической адсорбцией и хемосорбцией? Ответ иллюстрируйте примерами.

8)Объясните влияние площади поверхности катализатора и её структуры при гетерогенном катализе на энергию активации.

9)Какие вещества называют ингибиторами, каталитическими ядами. Приведите конкретные примеры.

10)Что называется селективностью (избирательным действием) катализатора? Приведите примеры селективности катализатора на промышленных примерах.

11)Что называется автокатализом, автокатализатором? Объясните наблюдения в опыте №3.

12)Что называется ферментом? Приведите конкретные примеры химических реакций с участие ферментов и назовите фермент участвующий в соответствующей реакции.

13)Объясните влияние катализатора на энергию активации при каталитическом протекании процесса.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. 
   Фролов, В. В. Химия / В. В. Фролов. – М. : Высшая школа, 1986. – 543 с.
   
2. 
   Угай, А. Я. Общая и неорганическая химия / А. Я. Угай. – М. : Высшая школа, 2004. – С.141-143.
   
3. 
   Глинка, Н. Л. Задачи и упражнения по общей химии / Н .Л. Глинка – Л. : Химия, 2012. – С.79-85.
   
4. 
   Глинка, Н. Л. Общая химия. / Н. Л. Глинка – М. : Юрайт, 2010. – С.181-183.
   

жүктеу/скачать 79.93 Kb.

Достарыңызбен бөлісу: