Катализ

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Катализ

Сипягина О.В. 1Ямгурзина В.В. 2
1МБОУ «СОШ № 2», г. Ленинск-Кузнецкий
2МБОУ СОШ № 2, г. Ленинск-Кузнецкий
Люкина Т.В. 1
1МБОУ «СОШ № 2», г. Ленинск-Кузнецкий
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Тема моего исследования «Катализ». Катализ неотъемлемый процесс для всего живого и не только. На сегодняшний день в химической промышленности широко используется реакция катализа.

Химические предприятия Кемеровской области широко используют катализаторы в процессе производства продукции. Так, предприятие КАО «Азот», занимающее 2 место в России по производству капролактама, для производства данного вида продукции и его полуфабрикатов использует кобальта нафтенат, катализатор дегидрирования циклогексанола, кислоту платинохлористоводородную и др. Для производства азотных удобрений предприятие применяет катализаторные сетки, состоящие из пакета сеток, изготовленных из сплавов с различным соотношением драгоценных металлов, и металлических разделительных сеток.

Благодаря веществу катализатору реакции могут замедлятся или наоборот ускоряться. Интерес к этой теме возник после выполнения цикла «Уроки настоящего катализ» в рамках проекта «Уроки настоящего» образовательного центра «Сириус».

Проблемой является: выбор лучшего катализатора для реакции разложения пероксида водорода.

Цель исследования: изучение влияния условий катализатора на процесс каталитического разложения пероксида водорода.

Задачи:

  1. изучить научную литературу по теме исследования;

  2. продумать, каким образом фиксировать кинетику разложения пероксида водорода;

  3. подобрать условия и собрать установку для фиксирования кинетики;

  4. провести эксперименты по катализу;

  5. провести анализ данных, полученных в ходе экспериментов и сделать выводы.

Объект исследования: катализ пероксида водорода.

Предмет исследования: катализаторы и условия, влияющие на катализ пероксида водорода.

Гипотеза: при разложении пероксида водорода под действием различных катализаторов выделяется газ кислород.

Методы исследования:

  1. эмпирические: наблюдение, сравнение, измерение;

  2. теоретические: изучение и обобщение, анализ;

  3. экспериментальные: эксперимент, моделирование.

Для более полной характеристики рассматриваемого вопроса были изучены работы, связанные с вопросами изучения каталитических процессов, их общих закономерностях, истории открытия и промышленного применения.

В статье [5] Сибилёва С. В и Нефёдова Н. В.  приводится методика синтеза ряда катализаторов химическим методом. Авторы отмечают, как природа металла, pH и другие характеристики влияют на эффективность катализатора и его структуру. Приводятся результаты испытаний на реальной реакции.

В журнале [1] авторы Зенцов В. Н., Абдрахманова Ю. Ф., Райзер Ю. С. знакомят нас с таким видом каталитического процесса как мембранный. Показано влияние среды на эффективность мембранного окисления и способы применения данной технологии для очистки воды. Сравнивается эффективность с существующими подходами.

Согласно исследованиям, приведенным в статье [2], возможность применения природных катализаторов – цеолитов, влияет на эффективность синтеза аммиака.

II. Теоретическая часть

2. 1. История изучения катализа

Слово катализ с греческого переводится как «разрушение». Катализ – это ускорение химической реакции под действием катализатора. Катализаторы во время реакции не расходуются и остаются неизменными после нее.

В XV веке ученные алхимики увидели, что в присутствии серной кислоты этиловый спирт превращается в диэтиловый эфир, при этом кислота никак не расходуется. В XIX веке появляются первые научные сведения о катализе. Реакцию окисления сернистого ангидрида под действием диоксида азота открыли французские ученые Н. Клеман и Ш. Дезорм. Диоксид азота в этой реакции не расходовался.[7] Это открытие использовалось для промышленного получения серной кислоты, так называемый камерный способ. В 1811 году ученый К. С. Кирхгоф обнаружил, что действие серной кислоты на разбавленный водой крахмал превращался в сахар (глюкозу). Кислота также не расходовалась. После в 1814 году выяснилось, что эту реакцию может катализировать фермент диастаза из ячменного солода. В 1813 году французский ученый Л. Тенар выяснил, что нагревании аммиака, он разлагается на азот и водород под действием некоторых металлов. Позже Тенар показал, что большое число твердых веществ оказывает ускоряющее действие на раствор перекиси водорода, и она разлагается. Английский химик Г. Дэви открыл способность паров спирта и эфиров окислятся на поверхности платины. Немецкий химик И. Дёберейнер в 1822 году наблюдал соединение кислорода и водорода в присутствии губчатой платины при обычной температуре. Все эти открытия привели к выделению новой группы явлений, названных немецким химиком Э. Митчерлихом контактными в 1833 году. Позже слово катализ, как термин первые был введен в 1835 году, шведским ученым Йенсом Якобом Берцелиусом. В 1909 году В.Ф. Оствальд доказал, что катализатор ускоряет термодинамические процессы. За это ему была присвоена Нобелевская премия.

После в XX веке начинают появляться работы с попытками объяснить явление катализа. В 1912 году П. Сабатье предложил теорию промежуточных соединений. Он показал, что при присутствии катализатора реакция протекает иначе, чем при отсутствии. В 1910-1920 годах практическое применение катализа было показано в работах В.Н. Ипатьева, также он ввел катализ при высоком давлении. В 1913 году впервые был получен аммиак в промышленном масштабе, с помощью катализа азота и водорода. Автором катализа аммиака был немецкий ученый Ф. Габер. Изучение механизма каталитических реакций стало возможным после работ И. Ленгмюра и С.Н. Хиншельвуда, которые были посвящены исследованию процессов адсорбации и созданию кинетической теории.

    1. Виды катализа

Выделяют несколько видов катализа. По скорости реакции катализ может быть:

  1. Положительным (реакция протекает с ускорением).

2 Отрицательным (скорость реакции замедляется). Также при отрицательном катализе происходит процесс ингибирования, когда ингибитор в реакции расходуется и его нельзя считать отрицательным катализом.

Катализ еще может быть классифицирован как гомогенный и гетерогенный. [8] Гомогенный катализ происходит, когда катализатор и реагирующее вещество находятся в одной фазе. Это может быть или жидкая, или газообразная фазы. Действие гомогенного катализа объясняется теорией промежуточных соединений. Теория заключается в том, что во время реакции быстро образуются неустойчивые соединения, после распада которых высвобождаются продукты реакции, катализатор же освобождается в неизменном виде.

Гетерогенный катализ происходит, когда вещества реакции находятся в разных агрегатных состояниях. Особенность гетерогенного катализа заключается в том, что реакция происходит на поверхности твердого катализатора. Но также могут быть и другие варианты реакции, когда катализатор находится в жидком состоянии.

В промышленности больше отдают предпочтение именно гетерогенному катализу. Из-за того, что он позволяет проводит химический процесс непрерывно. Когда через твердый катализатор пропускаю реагенты. Гомогенный катализ также используют в промышленности. Но у данного катализа есть свой недостаток. Он заключается в том, что в процесс катализа необходимо включить еще одну стадию отделения продуктов реакции от катализатора. В свою очередь во время гетерогенного катализа это не требуется.

Выделятся еще один тип катализа, это автокатализ. Автокатализ происходит, когда один из реагирующих веществ является катализатором для той же реакции. В широком же смысле автокатализ — это процесс самоускорение реакции, при количественном изменении в системе из – за протекания химической реакции.

Не менее значимым является ферментативный катализ. Ферментативный катализ происходит с помощью биологической молекулы фермента. В качестве ферментов в реакциях выступают белки, которые способны ускорять скорость реакции. Внутри же фермента катализ происходит в активном центре.

    1. Способы катализа пероксида водорода

Пероксид водорода или перекись водорода – это неорганическое соединение кислорода и водорода, которое является простым представителем класса пероксидов. Помимо того, пероксид водорода является побочным продуктом процессов окисления многих веществ.

Впервые промышленным способом пероксид водорода был получен в 1879 году. [4] Его получали взаимодействием фтористоводородной или кремне фтористоводородной кислоты с пероксидом бария. После этого было организованно получение электрохимическим способом. Через электрохимическое окисление серной кислоты с образованием и последующим гидролизом в пероксид водорода. Однако данный метод получения пероксида водорода был слишком затратным. Именно поэтому с 50 годов XX век были внедрены новый метод получения пероксида. Широкое распространение получил антрахиноновый метод, который до сир используется для получения пероксида водорода.

Механизм разложения пероксида водорода относится к гетерогенному разложению на границе контакта жидкой и газовой фаз, то есть паров перекиси над поверхностью жидкости.

Перекись водорода может разлагаться при комнатной температуре, с выделением кислорода. На этом способе основано использование 3% перекиси в медицине.

Также перекись водорода способна разлагаться под действием различных катализаторов с выделением кислорода. В качестве катализатора могут выступать: оксиды, кислоты, галогены (в частности йод), металлы и соли.

    1. Катализ пероксида водорода в газовой установке

Разложение пероксида водорода можно зафиксировать с помощью газовой установки. Газовая установка легка в сборке. Сделать данную установку получилось из двух сообщающихся сосудов и реакционного центра, в котором проходили реакции, реакционный центр был соединен с сосудами. После проверки установки на герметичной, проводятся измерения и фиксирования разложения пероксида водорода. [6] Из реакционного центра после катализа перекиси водорода, кислород по трубке поступал во второй сосуд, где выталкивал жидкость и можно было увидеть сколько кислорода выделилось в ход реакции. Реакция разложения перекиси водорода проводилась под действие различных катализаторов. Во время проведения реакций нужно еще фиксировать концентрацию катализатора, необходимо чтобы во всех реакция он был одинаковый.

Катализ пероксида водорода сложная реакция, которая может протекать различными способами. Пероксид может разложится самостоятельно под действием внешних условия, может в присутствии катализаторов. Для фиксирования разложения пероксида можно использовать газовую установку.

III. Практическая часть

3.1. Техника безопасности

При работе с газами и газовыми установки следует выполнять правила техники безопасности. Некоторые правила техники безопасности:

  1. запрещено употреблять пищу, напитки;

  2. запрещено заниматься посторонними делами;

  3. необходимо следить за чистотой оборудования;

  4. нельзя нависать над сосудом во время смешивания или нагрева веществ;

  5. с опасными веществами реакции должны проводить минимум 2 людям;

  6. чистку необходимо проводить в соответствии с химическими свойствами веществ;

  7. реакции с выделением газа необходимо проводить в вытяжном шкафу.

Не менее важным пунктом является наличие функционирующего огнетушителя, аптечка с перечнем медикаментов, для оказания первой помощи и план эвакуации. В лабораториях, в которых проводятся реакции с горючими веществами, должны быть одеяло и ящик с песком. После окончания работы рабочее место необходимо убрать вещества в установленные для них места, электроприборы отключить от питания, лабораторная посуда должна быть очищена. Также при необходимости разрабатываются правила при работе с горючими, легковоспламеняющимися и ядовитыми веществами.

    1. Эксперименты по катализу пероксида водорода

Основные этапы эксперимента:

  1. выбор катализатора;

  2. проведение пробных экспериментов;

  3. сборка газовой установки;

  4. проверка установки на герметичность;

  5. проведение измерений;

  6. анализ экспериментальных данных.

В качестве катализаторов рассматривались KI, Fe(III), FeCL3, KMnO4, MnO2. При проведении пробных экспериментов, для выяснения катализаторов, которые будем использовать в дальнейшем, лучшими оказались перманганат калия, йодид калия и оксид марганца IV (Приложение 12). Они показали лучшие результаты и было видно, как выделяется кислород.

В качестве первой газовой установки использовалось: пробирка с пробкой, соединительная трубка, бюретка, 2 сосуда с водой. Но, к сожалению, проводя пробный эксперимент, уровень воды в бюретке оставался одинаковым, хоть кислород выделялся. Именно поэтому газовую установку было принято пересобрать (Приложение 13).

Все дальнейшие эксперименты проводились во второй газовой установке (Приложение 13). Герметичность проверялась холостым экспериментом, разложение пероксида водорода без каких – либо катализаторов. Пероксид разложился под действием внешних условий. Внешние условия температура t = 22 0 С, давление р = 746 мм. рт. ст, влажность γ = 46 %. При проведении последующих экспериментов условия оставались одинаковыми.

В качестве первого катализатора использовался йодид калия. Йодид калия брался в количестве 0,1 г, а пероксид водорода в количестве 2 мл. Проводилось 4 эксперимента.

2KI + H2O2 → 2HI + O2 + 2K

При взаимодействии двух эти веществ, активно выделялся кислород, и реакция протекала бурно. Также проводились эксперименты с изменением формы. Йодид калия измельчался в ступке. После того как йодид калия был измельчен, повторно проводились эксперименты. Они показали такие же результаты, как и без изменения формы, разница была лишь в скорости протекая реакции. С измельченным йодидом калия реакция протекала быстрее, чем с простым. Все результаты исследования представлены в приложениях 1-7.

Вторым рассматриваемым катализатором был перманганат калия. Перманганат калия и пероксид водорода брались в тех же количествах, как при первых измерениях, а именно 0,1 г перманганата калия и 2 мл пероксида водорода.

H2O2 + 2KMnO4 → 2MnO2 + 2KOH + 2O2

Фиксировать взаимодействия перманганата калия с пероксидом водорода было проблематично. Реакция протекала очень активно и бурно. Кислород также выделялся активно. Перманганат калия брался только в одной форме. Результаты исследования представлены в приложениях 8-9.

Последним рассматриваемым катализатором был оксид марганца IV. Оксид марганца и пероксид водорода брались в тех же количествах, как и в прошлых экспериментах. А именно 0,1 г оксида марганца и 2 мл пероксида водорода.

3H2O2 + 2MnO2 → 2HMnO4 + 2H2O

Реакция протекала бурно и очень активно. При первом эксперименте зафиксировать данные не получилось, пробка не плотно прилегала к колбе. И во время проведения опыта она вылетела. При повторных экспериментах такого больше не было. И данные получилось зафиксировать без каких – либо проблем. Кислород во всех реакциях выделялся активно. Также оксид марганца брался в одной форме. Все данные опыта представлены в приложениях 10-11.

Во время проведения экспериментов кислород выделялся активно и можно было зафиксировать скорость протекания реакции и активность катализатора. Все катализаторы, используемые в опытах, показали хорошие результаты.

    1. Методика обработки экспериментальных данных

Обработка экспериментальных данных производилась дифференциальным методом Вант – Гоффа - графический вариант.

Метод основан на использовании зависимости скорости реакции от концентрации. Скорости реакции определяли по зависимости концентрации компонента от времени (кинетической кривой) при помощи графического дифференцирования путем проведения касательных в разных точках к кинетической кривой. Если протекает какая-то реакция n-го порядка, то скорость ее в зависимости от концентрации может быть выражена уравнением

υ=kCn.

Логарифмирование этого выражения дает уравнение прямой (рис. 1).

lgυ = lgk + nlgC.

Построив график в координатах lgυ - lgC по экспериментальным значениям скоростей реакций при различных концентрациях реагирующих веществ, можно определить порядок реакции n

n = tgα =а/в.

Величины отрезков а и в берут в единицах масштаба. Отрезок, отсекаемый на оси lgυ будет равен lgk.

Рис. 1. Зависимость логарифма скорости реакции от логарифма концентрации исходных веществ.

IV.Заключение

В ходе исследовательской работы была изучена история катализа, его виды. Также выяснилось взаимодействие различных катализаторов с пероксидом водорода.

Гипотеза подтвердилась. При взаимодействии катализатора с пероксидом водорода, активно выделяется кислород.

Данная работа может быть продолжена в разных направлениях. Можно расширить список катализаторов или рассмотреть другие виды катализа. Также можно попробовать заменить пероксид водорода, на другое катализирующее вещество. Проводя исследование выяснилось, о необходимости привлечения раздела, как химическая кинетика. Исследовательская работа убедила нас в том, что реакция катализа может проходить как внутри человека на биологическом уровне, так и использоваться в промышленных масштабах.

V. Литература

  1. Зенцов В. Н., Абдрахманова Ю. Ф., Райзер Ю. С. Мембранный катализ в водоочистке // Башкирский химический журнал. 2009. Том 16. № 4. С. 178-182.

  2. Ибрагим Рагеб, Алехина М. Б., Брусиловский М. Д., Нефедова Н. В. Низкотемпературный катализатор синтеза аммиака на основе цеолитов // Успехи в химии и химической технологии. 2009. Том 23. № 10. С. 49-52.

  3. Лунин В. В., Романовский Б. В. Катализ: Опыт историко-методологического анализа // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия. 1999. Том 40. № 5. С. 293-299.

  4. Мухортова Л. И., Ефимов Ю. Т., Глушков И. В., Константинова Т. Г. Химия и технология пероксида водорода. Чебоксары: Изд-во Чуваш. Ун-та, 2020. 104 с.

  5. Сибилёва С. В., Нефёдова Н. В. Разработка метода приготовления осажденных железных катализаторов синтеза аммиака // Успехи в химии и химической технологии. 2008. Том 22. № 10. С. 9-13.

  6. Михеева И. В. Лабораторный практикум. Физическая химия. Химическая кинетика [Электронный ресурс] URL: https://file.ineo.tpu.ru/VLabs/PHYSCHKIN/Lab1/mu.pdf(дата обращения: 22.03.2024).

  7. Красников Д. Катализ [Электронный ресурс] URL: https://www.youtube.com/watch?v=I-DPhMSxHC8&t=1s (дата обращения: 22.03.2024).

  8. Соков С. А. Онлайн-лекция. Первые шаги в катализ [Электронный ресурс] URL: https://vk.com/video-150963328_456239386 (дата обращения: 22.03.2024).

Приложение 1

Эксперимент 1. Катализатор йодид калия KI, m=0,1 г, V (Н2О2) = 2 мл.

Таблица 1

Таблиц 2

Среднее табличное значение k = 0,816. Среднее логарифмическое значение k = 0,94.

Приложение 2

Эксперимент 2. Катализатор йодид калия KI, m= 0,1 г, V (Н2О2)= 2 мл.

Таблица 3

Т аблица 4

Приложение 3

Эксперимент 2. Катализатор йодид калия KI, m= 0,1 г, V (Н2О2)= 2 мл.

Таблица 5

Среднее табличное значение k=0,4894. Среднее логарифмическое значение k = 0,57.

Приложение 4

Эксперимент 3. Катализатор йодид калия KI, m= 0,1 г, V (Н2О2)= 2 мл.

Таблица 6

Таблица 7

Приложение 5

Эксперимент 3. Катализатор йодид калия KI, m= 0,1 г, V (Н2О2)= 2 мл.

Т аблица 8

Среднее табличное значение k =1,1759. Среднее логарифмическое значение k =1,28.

Приложение 6

Эксперимент 4. Катализатор йодид калия KI, измельченный в ступке, m=0,1 г, V (Н2О2) = 2 мл.

Таблица 9

Таблица 10

Приложение 7

Эксперимент 4. Катализатор йодид калия KI, измельченный в ступке, m=0,1 г, V (Н2О2) = 2 мл.

Таблица 11

Среднее табличное значение k = 1,3798. Среднее логарифмическое значение k =1,25.

Приложение 8

Эксперимент 1. Катализатор оксид марганца IV, m=0,1 г,V (Н2О2)=2 мл.

Таблица 12

Таблица 13

Приложение 9

Эксперимент1. Катализатор оксид марганца IV, m=0,1 г, V (Н2О2)=2 мл.

Таблица 14

Среднее табличное значение k = 3,0936. Среднее логарифмическое значение k = 0,65.

Приложение 10

Эксперимент1.Катализатор перманганат калия,m=0,1 г,V(Н2О2)=2 мл.

Таблица 15

Таблица 16

Приложение 11

Эксперимент 1. Катализатор перманганат калия, m=0,1 г, V (Н2О2) = 2 мл.

Таблица 17

Среднее табличное значение k = 19,5485. Среднее логарифмическое значение k = 0,4.

Приложение 12

Этапы проведения эксперимента

Выбор катализатора

Приложение 13

Этапы проведения эксперимента

Сборка газовой установки

П ервая газовая установка

В торая газовая установка

Просмотров работы: 1