2.2.3. Влияние катализатора.

1. Дайте определение и иллюстрацию понятиям:

• катализатор,

• ингибитор,

• гомогенный и гетерогенный катализ.

Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождаются в конце реакции. Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.

Различают гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь) и гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах и каталитический процесс идет на поверхности раздела фаз).

В случае гетерогенного катализа реагенты и катализатор образуют несколько фаз. Реакции протекают на границе раздела фаз: обычно на поверхности раздела между твердой и жидкой или твердой и газовой фазами.

Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на катализаторе V2O5 при производстве серной кислоты контактным методом.

Резко замедлить протекание нежелательных химических процессов можно при добавлении в реакционную среду специальных веществ - ингибиторов. Например, для торможения нежелательных процессов коррозионного разрушения металлов широко используются различные ингибиторы коррозии металлов.

2. Какие вещества используют в качестве катализаторов? Какими свойствами должны обладать катализаторы? Каким требованиям удовлетворять?

Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются , металлы их оксиды и сульфиды. Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al2O3, TiO2, ThO2, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO.

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

3. В чем заключается сущность действия катализатора? Нарисуйте энергетическую диаграмму химической реакции, протекающей

• в отсутствие катализатора,

• в присутствии катализатора.

В чем их различие? При каком условии катализатор будет ускорять данную реакцию?

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.

В отсутствии катализатора реакция протекает медленно.

2.2.4. Химическое равновесие и его смещение.

1. Дайте определение следующим понятиям:

• состояние химического равновесия,

• исходные концентрации веществ,

• конечные концентрации веществ,

• равновесные концентрации веществ.

Состояние химического равновесия - состояние химической системы, в котором обратимо протекает одна или несколько химических реакций, причём скорости в каждой паре прямая-обратная реакция равны между собой. Для системы, находящейся в химическом равновесии, концентрации реагентов, температура и другие параметры системы не изменяются со временем.

Равновестные концентрации веществ - Концентрации веществ тогда, когда скорость прямой реакции становится равной скорости обратной реакции

Исходные концентрации веществ – концентрации в-в до начала реакции

Конечные концентрации веществ - концентрации в-в после протекания реакции

2. Покажите схематически, как изменяются скорости прямой и обратной реакций в процессе установления химического равновесия. Каковы его особенности? Почему оно является динамическим? Как его можно смещать?

3. Что называют константой химического равновесия? Каков ее физический смысл и размерность? Зависит ли эта величина от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры, давления, катализатора?

Константа равновесия — величина, определяющая для данной химической реакции соотношение между термодинамическими активностями (либо, в зависимости от условий протекания реакции, парциальными давлениями, концентрациями или фугитивностями) исходных веществ и продуктов в состоянии химического равновесия (в соответствии с законом действующих масс). Зная константу равновесия реакции, можно рассчитать равновесный состав реагирующей смеси, предельный выход продуктов, определить направление протекания реакции.

Стандартная константа равновесия — безразмерная величина.

4. Сформулируйте закон действующих масс для обратимых процессов и напишите его выражение (т.е. константы химического равновесия) в общем виде. Почему концентрации твердых веществ в гетерогенных системах не входят в выражение К_равн.?

5. Каковы термодинамические и кинетические условия наступления равновесия в любой системе? Почему равновесное состояние для системы является энергетически выгодным и устойчивым во времени? Каково соотношение между изменением стандартной энергией Гиббса обратимого процесса и константой его равновесия?

6. Сформулируйте принцип Ле Шателье. К каким состояниям и системам он применим? Объясните на конкретных примерах влияние на положение равновесия следующих факторов:

• концентрации исходных веществ и продуктов реакции,

• давления,

• температуры,

• катализатора.

Принцип Ле Шателье  (1884 г.) — если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия (температура, давление, концентрация, внешнее электромагнитное поле), то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия.

Влияние температуры зависит от знака теплового эффекта реакции. При повышении температуры химическое равновесие смещается в направлении эндотермической реакции, при понижении температуры — в направлении экзотермической реакции. В общем же случае при изменении температуры химическое равновесие смещается в сторону процесса, знак изменения энтропии в котором совпадает со знаком изменения температуры.

Давление существенно влияет на положение равновесия в реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объёма за счёт изменения количества вещества при переходе от исходных веществ к продуктам. При повышении давления равновесие сдвигается в направлении, в котором уменьшается суммарное количество молей газов и наоборот. В реакции синтеза аммиака количество газов уменьшается вдвое: N₂ + 3H₂ ↔ 2NH₃

Введение в реакционную смесь или образование в ходе реакции инертных газов действует так же, как и понижение давления, поскольку понижается парциальное давление реагирующих веществ.

Влияние концентрации на состояние равновесия подчиняется следующим правилам:

• При повышении концентрации одного из исходных веществ равновесие сдвигается в направлении образования продуктов реакции;

• При повышении концентрации одного из продуктов реакции равновесие сдвигается в направлении образования исходных веществ.