XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение явления катализа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лановой Я.А. 1Кардава Д.З. 1

---

1ЧУОО школа "Личность"

Пантелеева И.А. 1

---

1ЧУОО школа "Личность"

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Актуальность. Катализ в наше время вызывает огромный интерес, так как он ускоряет скорость химических реакций. Катализ распространен в природе (большинство процессов,

происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко

используется в технике (большая часть всех промышленных реакций —

каталитические). По словам Зелинского, нет неосуществимых реакций, просто не найдены нужные катализаторы. Поэтому мы решили подробнее изучить данное явление.

Объект исследования: катализ

Предмет исследования: условия, влияющие на протекание процесса катализа

Гипотеза: если будет выявлена зависимость протекания катализа от

различных факторов и созданы соответствующие условия, то практическое

применение катализа будет эффективным

Цель: выявить зависимость протекания катализа от различных факторов,

определяющих его практическое применение.

Задачи:

1) Изучить историю развития теории катализа в химии

2) Исследовать виды катализа

3) Изучить условия протекания каталитических реакций

4) Экспериментально доказать влияние катализаторов и условий протекания

реакций на их скорость, что определяет их практическое применение

Методы исследования:

1. Эмпирические: эксперимент, наблюдение.

2. Теоретические: анализ, синтез, аналогия, моделирование, обобщение, анализ.

2. Теоретическая часть.

2.1 Изучение истории развития теории катализа в химии

Трудно сказать, когда человек впервые столкнулся с катализом. Вероятнее всего это произошло давно и было связано с практическим опытом. Наблюдения показывали, что фруктовые соки со временем превращаются в вино, а вино при хранении образует уксус, из молока выделяется рыхлая масса творога и т. п. Сейчас известно, что все эти процессы совершаются при участии очень сложных катализаторов, и нет ничего удивительного, что истинный смысл явлений брожения в течении тысячелетий оставался нераскрытым. Для понимания того, что происходит в смесях органических веществ, когда на них действуют белковые катализаторы - ферменты, необходимо хорошо знать механизм действия менее сложных катализаторов и общие законы катализа. Все это стало возможным лишь после того, когда уровень химических знаний возрос настолько, что строение атома и молекулы, законы кинетики, структура белковых частиц и многие другие вопросы перестали быть "книгой за семью печатями". Еще в 11 веке химик Андрей Либавий применял термин "катализ", однако это слово тогда означало процессы разложения. Вероятно Джабир –ибн – Хаян (8 век) был одним из первых алхимиков, применившим каталитический процесс для получения органических соединений. Он превратил этиловый спирт в эфир посредством нагревания с серной кислотой, игравшей роль катализатора. Но он сам не понял истинного смысла действия серной кислоты. В эпоху алхимии мысль о том, что вещество может как -то содействовать химическому превращению других веществ, занимала многих исследователей. Они часто не замечали , что в их руках действительно оказываются вещества, которые открывают очень интересные перспективы в области промышленности и теоретических знаний. Впоследствии каталитические реакции все чаще и чаще стали привлекать внимание ученых. Пармонтье обнаружил в 1781г., что под влиянием слабых кислот крахмал может превращаться в сахар, через 11 лет Шееле доказал, что в процессах омыления катализаторами являются кислоты и щелочи. В1796 году Ван – Марум доказал, что при пропускании паров спирта через раскаленную трубку с металлами, играющими роль катализаторов, спирт превращается в альдегид и водород. Гемфри Дэви обнаружил каталитические свойства платины. Это подтвердил Берцелиус, который употребил термин "катализ" в том смысле, в котором сказывается действие катализатора. Но понятие каталитической силы не разъяснило природу явления катализа. Потребовалось очень много усилий для того, чтобы истинный смысл действия катализаторов сделался наконец. понятным. Большую роль в развитии науки о катализе сыграли исследования русских ученых, стремившихся понять внутренний механизм действия катализаторов. За период с 1871 – 1885 г. Зайцев открыл каталитические свойства палладия в восстановлении водорода. Кучеров обнаружил, что ртутные соединения являются активными катализаторами в гидратации ацетилена. Коновалов разработал теорию катализа. Густавсон открыл, что хлорид алюминия – активный катализатор. Бутлеров, Менделеев занимались разработкой этих вопросов. Исследования катализаторов – одна из центральных задач теоретической и прикладной химии. В 1968г Г. К. Боресков писал: «Когда-то катализ рассматривался как особое, немного таинственное явление, со специфическими законами, раскрытие которых должно было сразу в общей форме решить задачу подбора. Сейчас мы знаем, что это не так. Катализ по своей сущности - химическое явление. Изменение скорости реакции при каталитическом воздействии обусловлено промежуточным химическим взаимодействием реагирующих веществ с катализатором».

2.2 . Исследование видов катализа

Катализ - изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.

1.2 Виды катализа.

а) Гомогенный, когда реакционная смесь и катализатор находятся или в жидком или в газообразном состоянии. Сущность гомогенного катализа объясняется теорией промежуточных соединений. Рассмотрим общую схему механизма гомогенного катализа. А + В = АВ ( Q). Без катализатора реакция протекает медленно, так как её энергия активации ( Q) велика, Уровень энергии, при которой молекулы становятся активными, начинают двигаться и вступать в реакцию, чем больше энергия активации, тем медленнее идет реакция. Далее в систему вводится Кt,он соединяется с веществом А + К = А К (Q 1<Q), образуя промежуточное соединение. Энергия активации этой реакции меньше, чем энергия активации первой, следовательно она идет быстрее. АК активно реагирует с веществом В , а катализатор вытесняется , то есть регенерирует. АК + В = А В + К (Q2<Q)

б) Гетерогенный - катализатор находится в виде твердого вещества, а реагирующие соединения в виде раствора или газообразной смеси; (Это наиболее распространенный тип катализа, осуществляемого, таким образом, на границе раздела двух фаз.)

Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества.

2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их.

3. Химическая реакция между реагирующими молекулами.

4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора.

5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток.

АВ + С Д = А С + В Д

А--------В А ------- В

К + К = К К =

С---------Д С--------Д

А В

=К + К

С Д

Молекулы реагирующих веществ адсорбируются на поверхности катализатора, он ослабляет связи между атомами и перераспределяет их. Затем происходит десорбция молекул.

в) Автокатализ. Катализатор образуется в ходе реакции и ускоряет её.

2.3 Изучение условий катализа.

Изучение условий протекания катализа включает исследование следующих факторов:

• Реакция среды. Кислотная и щелочная среда могут либо ускорять, либо замедлять скорость катализа. 

• Свойства веществ, вступающих в реакцию. Скорость зависит от окислительной и восстановительной способности реагирующих веществ и катализатора. 

• Характер катализатора. В зависимости от применяемого катализатора скорость может либо повышаться, либо понижаться. 

• Температура. На скорость влияет температура реакции. 

• Концентрация веществ. Чем выше концентрация, тем выше скорость реакции. 

• Также при изучении условий протекания катализа важно учитывать геометрическое соответствие между субстратом и катализатором. Для протекания каталитической реакции пространственное расположение атомов в реагирующих молекулах и катализаторе должно быть таким, чтобы молекулы своими реагирующими атомами налагались с сохранением валентных углов на катализатор, соприкасаясь с его атомами. 

3. Экспериментальная часть

Пероксид водорода H₂O₂ широко используется в промышленности, быту и медицине. Реакция разложения пероксида водорода возможна по двух вариантам:

Опыт 1:Каталитическое разложение пероксида водорода, избирательность действия катализатора. (Приложение 1)

Заранее готовим стеклянную палочку, на одном конце которой нанесён тонкий слой оксида марганца (IV). Для этого обмазываем конец (2-3см) палочки клеем “Момент”. Затем насыпаем на лист бумаги оксид марганца (IV) и, вращая конец палочки с клеем вокруг оси, наносим на её поверхность приблизительно однородный слой этого вещества. Даём палочке обсохнуть. Потом промываем её в воде от плохо приклеенных кусочков катализатора, подвергаем испытанию на прочность в растворе пероксида водорода и снова промываем в воде. Снова сушим и взвешиваем на весах, определяя массу катализатора до реакции, масса палочки равна 8,52грамм. С такой палочкой можно проводить опыты многократно.

Наливаем в одну пробирку несколько миллилитров воды, во вторую 3%-го раствора пероксида водорода. Вносим в пробирки поочерёдно тлеющую лучинку и убеждаемся в том, что кислород над поверхностью воды и пероксида отсутствует, т.к. лучинка не вспыхивает. Помещаем палочку с оксидом марганца (IV) в первую пробирку и видим, что никаких признаков реакции нет. Тлеющая лучинка не вспыхивает.

Далее берем палочку с катализатором и погружаем во вторую пробирку. Наблюдаем, что на поверхности диоксида марганца моментально появляются многочисленные пузырьки газа и количество их растет в зависимости от длительности контакта. Тлеющая лучинка, введенная в отверстие пробирки, вспыхивает, что свидетельствует об образовании кислорода. Прекращение контакта пероксида водорода с катализатором ведет к прекращению выделения кислорода. Далее палочку с диоксидом марганца промываем в воде, высушиваем и взвешиваем. Масса палочки остается неизменной, т.е. равна 8,52 г.

Вывод: принимая участие в реакции, оксид марганца (IV) не изменяет своей массы, т.е. не расходуется и обладает свойством избирательности: определенное вещество является катализатором только для ограниченного круга реакций..

2. Влияние массы катализатора на скорость реакции

Опыт2 . Собираем прибор, состоящий из колбы Вюрца 1, закрытой резиновой пробкой 2 с короткой большого диаметра стеклянной трубкой 3, и колбы 5, которая соединена с колбой Вюрца с помощью резиновой трубки 4. На боковом отводе колбы Вюрца надета газоотводная резиновая трубка 6, конец которой подведен под заполненный водой и расположенный вверх дном мерный цилиндр 7

В колбу Вюрца помещаем 0,01 г. оксида марганца (IV), а в колбу 5 наливаем 3%-ый раствор пероксида водорода. В колбу Вюрца из колбы 5 через трубку 4 быстро вливаем раствор пероксида водорода и определяем по секундомеру время собирания над водой 10 мл. кислорода. Затем опыт выполняем несколько раз, увеличивая навеску оксида марганца (IV) на одну и ту же небольшую величину.

Вывод: с увеличением массы катализатора увеличивается скорость химической реакции.

3. Влияние концентрации катализатора на скорость реакции. (Приложение 2)

Опыт3. Готовим серию растворов дихромата калия (в качестве катализатора) с концентрацией: 5%, 7%, 10%. Далее аналогично предыдущему опыту проводим разложение пероксида водорода с использованием данного катализатора. Отмечаем время получения 10 мл. кислорода. Результаты заносим в таблицу.

Вывод: с увеличением концентрации катализатора скорость химической реакции увеличивается.

4. Влияние природы катализатора на скорость реакции. (Приложение 3)

Опыт4 ..  Катализаторами являлись оксид свинца (II) и оксид марганца (IV). В две пробирки мы внесли по 10 капель 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили немного оксида свинца, а в другую – столько же оксида марганца, и заметили время полного разложения в каждой. В пробирке с оксидом марганца разложение закончилось за 55 с, а в пробирке с оксидом свинца за 7 мин.

Вывод: каталитическое действие оксида свинца (IV)слабее, чем оксида марганца (IV). Природа катализатора влияет на скорость химической реакции.

5. Исследование различных видов катализа.

Опыт 5. а) гомогенный катализ (в одной фазе). Разложение перекиси водорода. В качестве катализатора можно взять K₂Cr₂O₇ , в виде водного раствора. При добавлении его в раствор перекиси водорода мы наблюдаем бурное выделение газа. Окраска раствора меняется. При проверке газа тлеющей лучинкой, мы определили что это кислород.

Вывод: K₂Cr₂O₇ является катализатором в данном гомогенном процессе. Вещество бурого цвета является промежуточным веществом. С меньшей энергией активации, это ускоряет реакцию.

б) гетерогенный катализ (в разных фазах). Проводим, как опыт 1.Разложение перекиси водорода в присутствии твердого MnO_2. Происходит бурное выделение кислорода.

Вывод: MnO₂ является также катализатором для разложения перекиси водорода. На его поверхности происходит адсорбция молекул перекиси водорода, перераспределение химических связей и десорбция нового вещества кислорода.

в) автокатализ. Его можно наблюдать при взаимодействии алюминия с соляной кислотой. При протекании данной реакции можно заметить на увеличение скорости реакции. На первых этапах реакция протекает очень медленно, но со временем скорость ее увеличивается. В чем же причина?. В качестве продукта реакции образуется хлорид алюминия, который и будет катализатором, а следовательно, ускорять реакцию

Вывод: реакция является каталитической, катализатором становится хлорид алюминия, образующийся в результате реакции.

6. Исследование влияния окислительных свойств, вступающих в реакцию веществ на скорость каталитических реакций.

Опыт 6. В две пробирки с KMnO₄ , бросили кусочек цинка, в качестве среды добавили серную кислоту. При этом происходит выделение газа. Так как KMnO₄ является окислителем, а водород – восстановителем, можно предположить, что будет происходить обесцвечивание раствора.

В одну из пробирок добавим KNO₃ , раствор быстро обесцветился, а в другой пробирке обесцвечивания не наблюдаем.

H₂SO₄ + Zn→ ZnSO₄ + 2H

2KMnO₄ + 5H2 +3H₂SO₄ → K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

Вывод: данная реакция является каталитическая, катализатором является KNO_3.

В каждую из двух пробирок налили FeCl₃, HCl, Zn. Так как FeCl₃ – окислитель, а водород – восстановитель.

Zn + 2HCl → H₂ + ZnCl₂

2FeCl₃ + H₂ → 2FeCl₂ + 2HCl

В одну из пробирок добавили KNO₃ . В ней прекратилось обесцвечивание раствора, в другой – раствор обесцветился. Почему, в отличии от предыдущего опыта KNO₃ тормозит реакцию ? Можно предположить, что скорость реакции будет зависеть и от окислителя. KMnO₄ более сильный окислитель, чем KNO_3, поэтому идет восстановление ионов марганца, и, как результат, обесцвечивание раствора. Но KNO₃ , более сильный окислитель, чем FeCl₃ , поэтому идет восстановление нитрат – ионов, а восстановление ионов железа прекращается и прекращается обесцвечивание раствора.

Вывод: На скорость катализа влияет окислительная способность ионов. И один и тот же катализатор выступает в роли, как ускорителя реакции, так и замедлителя.

4. Заключение.

В заключение, наш проект подчеркнул значимость катализаторов в химических реакциях, их роль в различных отраслях и необходимость более глубокого понимания их свойств. Мы исследовали поведение катализаторов в реальных условиях, подтвердив их вариативность и эффективность.

Применение катализаторов способствовало бурному развитию химической промышленности. Они широко используются при переработке нефти, получении различных продуктов, создании новых материалов (например, пластмасс), нередко более дешевых, чем применявшиеся прежде. Примерно 90% объема современного химического производства основано на каталитических процессах. Особую роль играют каталитические процессы в охране окружающей среды. 1) Катализ позволяет проводить при обычных условиях реакции, которые требуют больших затрат энергии. 2) Катализ – это неотъемлемая часть нашей жизни. Он участвует во многих процессах.

Практическое применение результатов нашего исследования может привести к новым открытиям в химии, улучшая образовательный процесс и поддерживая научное развитие.

Таким образом, гипотеза нашего исследования подтверждена.

Литература

1. Афанасьев В.А., Заиков Г.Е. В мире катализа. М.: Наука, 1977. — 107 с.

2. Ахметов Н. С. Неорганическая химия. Учеб. для Вузов. - 4-е изд., испр. - М.:

Высшая школа, 2001. - 743 с.

3. Балаев И.И. Домашний эксперимент по химии. М.: Просвещение, 1977

4. Збарский Б.И., Иванов И.И., Мардашев С.Р. Биологическая химия. Л.:

Медицина. Лен. отд., 1972

5. Краткая химическая энциклопедия т. 1-5. Под ред. И.Л. Кнунянца, М.:

«Советская энциклопедия», 1981-1987 гг.

6. Николаев Л.А. Химия жизни. М.: Просвещение, 1973

7. Ольгин О.М. Опыты без взрывов. М.: Химия, 1986

Приложения

Фото 1. Фото 2.

Фото 3.

Фото 4. Фото 5.

Фото 6.

Фото 7.

Фото 8.