І місце. Хімічні реакції та закономірності їх перебігу (Кічата Олена Євгеніївна, Харківська гімназія № 46 ім. М.В.Ломоносова)

Ефективним способом упливу на швидкість перебігу реакцій є використання каталізаторів.

• Каталізатор – речовина, що бере участь у реакції та змінює її швидкість, але сама в реакції не витрачається.

Процес зміни швидкості хімічної реакції під дією каталізаторів називається каталізом, а реакції, що відбуваються за участю каталізатора, – каталітичними. Наприклад, розклад гідроген пероксиду прискорюється манган(IV) оксидом (мал.1).

Мал. 1. Розкладання гідроген пероксиду під дією манган(ІV) оксиду.

У хімічних рівняннях каталізатор не вказують ані в реагентах, ані в продуктах реакції, а записують його над знаком рівності, наприклад:

Розрізняють гетерогенний і гомогенний каталіз.

При гомогенному каталізі каталізатор і реагенти утворюють одну фазу. 

Механізм гомогенного каталізу пояснюється теорією проміжних сполук. А саме, якщо повільну реакцію А + В = АВ, що характеризується великою енергією активації, провести в присутності каталізатора К, то він вступає у взаємодію з однією з вихідних речовин, утворюючи нетривку проміжну сполуку:

А + К = АК.

Реакція протікає швидко, тому що енергія активації цього процесу мала. Потім проміжна сполука АК взаємодіє з іншим реагентом або розкладається, при цьому каталізатор вивільняється у початковому стані:

АК + В = АВ + К.

Енергія активації цього процесу також мала, а тому реакція протікає з достатньою швидкістю. Ці процеси можна проілюструвати графіком (мал. 2)

Мал. 2. Порівняння енергетичних діаграм реакції без застосування каталізатора і реакції за участю каталізатора

Прикладом гомогенного каталізу можуть служити реакції в озоновому шарі Землі, які описав  Пауль Крутцен - голландський хімік, лауреат Нобелівської премії. Озон - це відносно нестабільна молекула, що розкладається з утворенням кисню:

2О₃ = 3О₂.

Швидкість цієї реакції збільшується під дією нітроген(ІІ) оксиду, який діє як каталізатор за наступним механізмом:

O_2(г.)  = 2O_(г.);

NO_(г.) + O_3(г.) = NO_2(г.) + O_2(г.);      (1)

NO_2(г.) + O_(г.) = NO_(г.) + O_2(г.).         (2)

Оскільки в цьому випадку каталізатор на проміжних стадіях є реагентом у гомогенних реакціях, то швидкість реакцій в гомогенному каталізі залежить від концентрації каталізатора.

При гетерогенному каталізі каталізатор і реагенти знаходяться в різних фазах. 

Найчастіше каталізатор твердий, а реагенти знаходяться в газовій або рідкій фазі. У цьому випадку реакція відбувається на поверхні твердого каталізатора.

Прикладом гетерогенного каталізу є, окиснення сульфур(ІV) оксиду до сульфур(VІ) оксиду на каталізаторі ванадій(V) оксиді. Під час цього процесу відбуваються наступні реакції

SO_2(г.) + V₂O_5(тв.) = SO_2(г.) + V₂O_4(тв.);     (3)

V₂O_4(тв.) +  1/2О_2(г.) = V₂O_5(тв.).               (4)

Таким чином ванадій(V) оксид є реагентом реакції (3) і продуктом - реакції (4). Обидві реакції є гетерогенними, тому швидкість реакцій в гетерогенному каталізі залежить від площі поверхні каталізатора.

Для збільшення площі поверхні каталізаторів їх виготовляють у вигляді гранул (мал. 3а), наносять на пористі керамічні та металеві підложки (мал.3б) або скловолокнисті матеріали (мал.3в).

а	б	в

Мал. 3. Зовнішній вигляд промислових каталізаторів:

а) гранульовані каталізатори; б) каталізатори на спінених керамічних і металевих носіях; в) каталізатори на скловолокнистих носіях