III Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ КАТАЛИЗА
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Катализ распространен в природе (большинство процессов, происходящих в живых организмах, являются каталитическими) и широко используется в технике (большая часть всех промышленных реакций — каталитические). 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
2. Основная часть
Катализ - изменение скорости химической реакции при воздействии веществ (катализаторов или ингибиторов), которые участвуют в реакции, но не входят в состав продуктов.
Катализаторы - вещества, повышающие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.
Ингибиторы- вещества, замедляющие скорость химических реакций, состав и количество которых в конце реакции остаётся неизменным.
2.1. Изучение истории развития теории катализа в химии
Слово «катализ», вероятно, впервые введено в 16 веке химиком А. Либавиусом в его учебнике «Алхимия» и имело значение «разложение» или «разрушение». В 1835 г. этот термин узаконен И. Берцелиусом для реакций, протекающих в присутствии посторонних соединений, которые сами как будто в реакции не участвуют. Точнее Берцелиус писал о каталитической силе, приводящей к разложению тел.
На самом деле даже “небиологический”, т.е. неферментативный катализ был известен задолго до Либавиуса и тем более Берцелиуса. Первый известный нам пример небиологического каталитического процесса - синтез диэтилового эфира из спирта при участии серной кислоты (8 в., Джабир ибн Хайам). Вторично эта реакция была открыта в 1540 г. Валерием Кордусом и получила технологическое оформление в работах С. Фробениуса.
В 17 и 18 веках во время создания научных основ химии было открыто несколько каталитических реакций с участием небиологических катализаторов. Так, в 1666 г. А. Лефебр и Н. Лемери разработали камерный способ синтеза серной кислоты, базируясь на предыдущих разработках. Это 17 век. И только в конце следующего, 18 века, механизм синтеза серной кислоты изучен М. Клеманом и Х. Дезормом.
18-19 века в целом характеризуются бурным развитием промышленности, однако химическая промышленность только начинает зарождаться, востребованы в больших количествах в первую очередь минеральные кислоты, поэтому появляются каталитические процессы получения H2SO4, затем – процессы получения HNO3.
Конец 19 - начало 20 веков – развитие сельского хозяйства –необходимость в минеральных удобрениях. Появляется габеровский процесс синтеза аммиака и процесс окисления аммиака, то есть синтез азотной кислоты.
30-40-е годы 20-го века:
Германия, активно развивающая военную промышленность и нуждающаяся в горючем для военной техники, отрезана от источников углеводородного сырья. Такая ситуация провоцирует бурный всплеск работ по получению синтетического горючего из альтернативных источников сырья. Это работы Фишера-Тропша и работы Реппе.
И, наконец, 50-60-е годы прошлого века – начало бурного развития нефтехимии и химии полимеров – Циглер и Натта создают катализаторы полимеризации олефинов, появляются процессы получения кислородсодержащих продуктов при окислении олефинов.
2.2. Исследование видов катализа
По влиянию на скорость реакции катализ многие источники делят на положительный (скорость реакции растет) и отрицательный (скорость реакции падает). В последнем случае происходит процесс ингибирования, который нельзя считать 'отрицательным катализом', поскольку ингибитор в ходе реакции расходуется.
Катализ бывает гомогенным и гетерогенным (контактным). В гомогенном катализе катализатор состоит в той же фазе, что и реактивы реакции, в то время, как гетерогенные катализаторы отличаются фазой (Приложение 1).
Отдельно стоит упомянуть микрогетерогенный катализ, при котором катализатор находится в коллоидном или высокомолекулярном состоянии. Примерами этого рода катализа могут служить биокаталитические процессы, в которых катализаторами являются ферменты, ускоряющие многие химические реакции, существенные для протекания жизненных процессов.
По характеру промежуточного взаимодействия различают две группы каталитических реакций – кислотно-основного и окислительно-восстановительного катализа.
В реакциях первой группы имеет место промежуточное кислотно-основное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором, то есть переход протона от катализатора к одному из реагирующих веществ или, наоборот, от реагирующего вещества к катализатору. При последующих стадиях каталитической реакции протон перемещается в обратном направлении и катализатор восстанавливает свой состав. Примерами кислотно-основного катализа могут служить: гидролиз сложных эфиров, ускоряемый кислотами, гидратация олефинов в присутствии фосфорно-кислотных катализаторов, изомеризация крекинг углеводородов на алюмосиликатных катализаторах и многие другие реакции.
При реакциях окислительно-восстановительного катализа промежуточное взаимодействие связано с электронными переходами между катализатором и реагирующими веществами. К этой группе каталитических реакций относятся окисление двуокиси серы в триокись в производстве серной кислоты, окисление аммиака до окиси азота при получении азотной кислоты, многочисленные реакции парциального окисления органических соединений, например этилена в окись этилена, нафталина во фталевый ангидрид, гидрогенизация, дегидрогенизация, циклизация и ароматизация углеводородов, разложение перекиси водорода, восстановление и окисление ионов металлов в растворах и многие другие реакции.
Для объяснения механизма каталитических реакций были предложены три группы теорий: геометрические, электронные и химическая. В геометрических теориях основное внимание обращено на соответствие между геометрической конфигурацией атомов активных центров катализатора и атомов той части реагирующих молекул, которая ответственна за связывание с катализатором. Электронные теории исходят из представления, что хемосорбция обусловливается электронным взаимодействием, связанным с переносом заряда, эти теории связывают каталитическую активность с электронными свойствами катализатора. Химическая теория рассматривает катализатор как химическое соединение с характерными свойствами, которое образует химические связи с реагентами, в результате чего формируется нестабильный переходный комплекс. После распада комплекса с высвобождением продуктов катализатор возвращается в исходное состояние. Последняя теория считается сейчас наиболее адекватной.
2.3. Изучение условий протекания каталитических реакций
Катализаторы изменяют скорость химической реакции за счёт изменения механизма её протекания. Допустим, между веществом А и веществом В возможно взаимодействие с образованием вещества АВ: А + В → А…В → АВ
Энергия активации этой реакции большая – поэтому реакция протекает с очень малой, практически равной нулю, скоростью. Допустим, имеется вещество К (катализатор) , которое, легко вступая во взаимодействие с веществом А, образует соединение АК: А + К → А…К → АК
Эта реакция протекает быстро, т. к. её энергия активации мала. Соединение АК по той же причине легко взаимодействует с веществом В образуя вещества АВ и К: В + АК → В…А…К → АВ + К. Энергетическая схема реакции представлена в Приложении 2.
Суммируя два последних уравнения, получим:
А + К = АК
В + АК = АВ + К
А + В = АВ
Таким образом, вещество К приняло участие в процессе, но в результате него осталось химически неизменным. При отсутствии катализатора реакция протекала при непосредственном взаимодействии веществ А и В очень медленно. Каталитическая реакция происходит в две стадии: через образование промежуточного соединения АК – очень быстро.
3. Экспериментальная часть
Для практического изучения явления катализа мы провели ряд опытов, фото которых помещены в Приложение 3.
Эксперимент №1. Процесс катализа.Реакция проводилась в вытяжном шкафу. Мы перемешали 1 г алюминиевого порошка и 4 г растёртого в ступке йода. Затем высыпали конусообразной кучкой. Признаков реакции не наблюдалось, тогда мы добавили пару капель воды. Постепенно начал выделяться густой фиолетовый дым (фото1). В этой реакции вода выступает в роли катализатора.
Эксперимент №2. Пример гомогенного катализа. Мы проводили реакцию разложения пероксида водорода в присутствии раствора сульфата тетраамминмеди (II) [Cu(NH3)4]SO4. Катализатор мы приготовили зарание, смешав сульфат меди (II) с раствором аммиака.
Cu SO4 + 4NH3 ∙ H2O = [Cu(NH3)4]SO4 + 4H2O
Добавили в химический стакан несколько капель жидкого мыла для наглядности, затем 2 мл раствора комплексной соли, прилили пероксид водорода. Начал бурно выделяться кислород, вспенивая жидкое мыло (фото 2).
[Cu(NH3)4]SO4
2H2O2 = 2H2O + O2
Эксперимент №3. Пример гетерогенного катализа.Мы окисляли аммиак кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III), который образуется при разложении дихромата аммония:
(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2↑ + 4H2O
В химическую колбу ёмкостью 500 мл поместили раствор аммиака и закрыли пробкой. На спиртовке нагрели дихромат аммония, затем поместили в колбу с аммиаком. Частицы дихромата аммония заискрились из-за горящего вокруг них аммиака. Такой опыт называется «звездный дождь» (фото 3).
Cr2O3
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O
Эксперимент №4. Положительный и отрицательный катализатор. а) В химический стаканчик с 3 мл воды мы добавили по 1 капле растворов роданида калия и хлорида железа (III). Образовался раствор красного цвета, который налили в две пробирки поровну. В две другие пробирки по 2 мл тиосульфата натрия и в одну из них добавили несколько капель раствора сульфата меди (II) – катализатора. К раствору роданида железа (III) добавили раствор тиосульфата натрия. Раствор приобрёл жёлтый цвет. Ко второй пробирке с роданидом железа добавили тиосульфат натрия с сульфатом меди. Раствор также пожелтел, однако здесь выпал осадок (фото 4).
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3KCl
2Fe(SCN)3 + 2Na2S2O3 = Na2S4O6 + 2Fe (SCN)2 + 2NaSCN
б) Мы налили в две пробирки по 2 мл раствора сульфата меди (II) и поместили в каждую по грануле алюминия. В одну из пробирок добавили несколько кристаллов катализатора – поваренной соли. В пробирке с катализатором гранула быстро покрылась налётом меди, а другая осталась неизменной. Хлорид натрия ускоряет процесс (фото 5).
2Al + 3CuSO4 = Al2(SO4)3 + 3Cu
в) Разложение пероксида водорода в присутствии борной кислоты. Процесс шел медленно, так как борная кислота Н3ВО3 выполняет роль ингибитора (фото 6).
Эксперимент №5. Биологические катализаторы – ферменты. а) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёного картофеля, а в другой картофельный сок. В первом стакане ничего не происходило, а во втором пероксид моментально начал разлагаться.
2H2O2 = 2H2O + O2↑
б) В два стакана налили пероксид водорода, в первый стакан поместили кусочек варёной моркови, а во второй морковный сок. Результаты соответствуют предыдущим (фото 7).
Пероксид водорода – ядовитое вещество, образующееся в клетке в процессе жизнедеятельности. Принимая участие в обезвреживании ряда токсических веществ, оно может вызвать самоотравление (денатурацию белков, в частности, ферментов). Накоплению Н2О2 препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н2О2 на воду и кислород, играет защитную роль в клетке. Фермент функционирует с очень большой скоростью, одна его молекула расщепляет за 1с 200 000 молекул.
Эксперимент №6. Качественное определение активности различных катализаторов. 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 соксидом свинца за 7 мин. Из этого следует, что оксид марганца активнее оксида свинца.
Эксперимент №7. Изучение влияния количества катализатора на скорость разложения пероксида водорода. В две пробирки с помощью мерного цилиндра мы налили по 5 мл 3%-ного раствора пероксида водорода. В одну пробирку добавили на кончике шпателя порошка оксида марганца (IV), во вторую в два раза больше. В первой пробирке разложение закончилось за 2 мин 46 с, а во второй за 1 мин 35с. Следовательно, чем больше катализатора, тем быстрее проходит реакция.
Эксперимент №8. Автокатализ. Мы изучали явление автокатализа на примере взаимодействия перманганата калия с щавелевой кислотой, протекающей по уравнению:
5H2C2O4 + 2KMnO4 + 3H2SO4 = 10CO2↑ + 2MnSO4 + K2SO4 + 8H2O
Внесли в пробирку одну каплю раствора перманганата калия, добавили к раствору дистилированной воды в таком количестве, чтобы получился прозрачный розовый раствор. В сухую пробирку налили 10 капель полученного раствора, 2 капли щавелевой кислоты и 4 капли раствора серной кислоты. Встряхнули пробирку. Раствор обесцветился за 38 с. В другую пробирку налили тоже самое, предварительно добавив к смеси один кристаллик сульфата марганца (II). Раствор обесцветился мгновенно. В первом случае реакция постепенно ускоряется из-за увеличивающегося количества ионов марганца, являющихся катализатором. Во втором случае реакция проходит быстро, потому что ионы марганца присутствовали в растворе изначально.
4. Заключение
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.
Проведя исследовательскую работу, я выяснил, в чем заключается сущность процесса катализа, выявил зависимость протекания этого явления от различных факторов, определяющих его практическое применение.
Таким образом, гипотеза моего исследовавния подтверждена.
5. Список литературы
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
Интернет-сайты:
http://www.hemi.nsu.ru/ucheb216.htm
http://www.himhelp.ru/section23/section5/section33ytrg/
http://www.xumuk.ru/encyklopedia/1913.html
6. Приложения
Приложение 1. Классификация катализа
Приложение 2. Энергетическая схема каталитического процесса
Приложение 3. Фото опытов
фото 1
фото 2
фото 3
фото 4 (а, б)
фото 5
фото 6
фото 7