Помощь по Теле2, тарифы, вопросы

Катализ - избирательное ускорение одного из возможных термодинамически разрешенных направлений химической реакции под действием катализатора, который многократно вступает в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливает свой химический состав после каждого цикла промежуточных химических взаимодействий.

Иными словами, суть катализа состоит в изменении скоростей химических реакций при действии катализаторов.

Катализатор – вещества, изменяющие скорость химической реакции или вызывающие её, но НЕ входящие в состав продуктов.

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные . Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный - образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. 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 Al 2 О 3 , TiO 2 , ThO 2 , алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaО, BaО, MgО.

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

Гетерогенные катализаторы редко применяются в виде индивидуальных веществ и, как правило, содержат носитель и различные добавки, получившие название модификаторов. Цели их введения разнообразны: повышение активности катализатора (промоторы), его избирательности и стабильности, улучшение механических и структурных свойств. Фазовые и структурные модификаторы стабилизируют соответственно активную фазу и пористую структуру поверхности катализатора.

В смешанных катализаторах, где компоненты находятся в соизмеримых количествах (например, в алюмокобальт- или алюмоникельмолибденовых катализаторах процессов гидроочистки нефтяного сырья), могут образоваться новые, более активные соединения, их твердый раствор в основном компоненте или же многофазные системы, обладающие специфическим каталитическим действием. Так, Со или Ni в отдельности обладают высокой де- и гидрирующей активностью, но исключительно чувствительны к отравляющему действию сернистых соединений. Мо в отношении этой реакции малоактивен, но обладает большим сродством к сернистым соединениям. Катализаторы, в которых одновременно присутствуют Мо и Со или Ni в оптимальных соотношениях, весьма эффективны в реакциях гидрогенолиза сернистых и других гетероорганических соединений нефтяного сырья.

Не менее важна роль носителей гетерогенных катализаторов, особенно в случае дорогостоящих металлических катализаторов (Pt, Pd, Ni, Со, Ag). Подбором носителя достигаются требуемые пористая структура, удельная поверхность, механическая прочность и термостойкость. В качестве носителей используют окиси алюминия, алюмосиликаты, окиси хрома или кремния, активированный уголь, пемзу, кизельгур и другие природные и синтетические материалы. Особый класс представляют цеолитсодержащие алюмосиликатные катализаторы крекинга нефтяного сырья. Главную роль в них играют кристаллические цеолиты, имеющие каркасную структуру с относительно большими сотообразными полостями, которые сообщаются окнами малых размеров, связывающими полости между собой. В 1 г цеолита имеется около 1020 полостей и 800 м2 поверхности, способной к ионному обмену на металлы. Цеолиты диспергируются в аморфной матрице, которая выполняет роль носителя с крупными порами и при крекинге способствует первичному распаду высокомолекулярного нефтяного сырья и тем самым готовит сырье для последующих вторичных реакций на цеолите.

Исходя из изложенного выше, можно сделать вывод, что промышленные катализаторы состоят из: матрицы (носителя ), активного компонента и вспомогательных добавок или присадок . В зависимости от механизма взаимодействия нанесенные катализаторы бывают «сорбционными» и «пропиточными».

«Сорбционные» – в процессе приготовления имеет место взаимодействие между носителем и исходным веществом, адсорбирующимся на поверхности. «Пропиточные» – такое взаимодействие практически отсутствует и исходное соединение активного компонента находится в растворенном состоянии в порах носителя.

Характерное свойство нанесённых катализаторов – неравномерность распределения активного компонента по сечению гранулы. Четыре основных типа: I – с равномерным распределением; II – «корочковый», у которых активный компонент сосредоточен у периферии гранул; III – активный компонент сосредоточен в центре гранулы («яичный желток»); IV – активный компонент расположен в средней области, удаленной как от центра, так и от внешней поверхности зерна катализатора.

Матрица должна обеспечивать сохранение каталитических свойств катализатора в условиях высоких температур, предохранять его от воздействия каталитических ядов, создавать определенную форму, гранулометрический состав и необходимую механическую прочность частиц, обеспечивать доступность активных металлов для молекул сырья. Вещество матрицы способствует равномерному распределению активных металлов в порах катализатора и интенсивному протеканию массо- и теплообменных процессов. Оно существенно влияет на термическую стабильность катализатора.

Основными технологическими характеристиками катализаторов являются активность и селективность (избирательность) по отношению к данной реакции, стабильность и регенерируемость, а также гранулометрический состав, плотность, механическая прочность на раздавливание и истирание.

Активность катализатора – определяется удельной скоростью данной каталитической реакции, т. е. количеством продукта, образующегося в единицу времени на единицу объёма катализатора или реактора. Количественно активность определяют как скорость реакции в данных условиях за вычетом скорости той же реакции в отсутствие катализатора. Потеря активности катализатора происходит, главным образом, в результате отложений кокса на поверхности и в порах его носителя.

Активные центры гетерогенного катализатора – специфические центры на поверхности твёрдого тела (или макромолекулы), при взаимодействии с которыми молекулы реагирующего вещества активируются и реакция протекает с большей скоростью (каталитически активной является не вся поверхность гетерогенного катализатора, а лишь некоторые участки её ). В гомогенном катализе в идеальном случае все молекулы растворенного катализатора являются АЦ и образуют с реагентами промежуточные реакционноспособные продукты.

В подавляющем большинстве случаев в присутствии данного катализатора, помимо основной реакции, протекает еще ряд побочных параллельных или последовательных реакций. Доля прореагировавших исходных веществ с образованием целевых продуктов характеризует селективность катализатора. Она зависит не только от природы катализатора, но и от параметров каталитического процесса, поэтому ее следует относить к определенным условиям проведения реакции. Селективность зависит также от термодинамического равновесия. В нефтепереработке иногда селективность условно выражают как отношение выходов целевого и побочного продуктов, например таких, как бензин/газ, бензин/кокс или бензин/газ + кокс.

Стабильность является одним из важнейших показателей качества катализатора, характеризует его способность сохранять свою активность во времени. От нее зависят стабильность работы установок, продолжительность их межремонтного пробега, технологическое оформление, расход катализатора, материальные и экономические затраты, вопросы охраны окружающей среды и технико-экономические показатели процесса и др.

В процессе длительной эксплуатации катализаторы с определенной интенсивностью претерпевают физико-химические изменения, приводящие к снижению или потере их каталитической активности (иногда селективности), т. е. катализаторы подвергаются физической и химической дезактивации.

Физическая дезактивация (спекание) катализатора происходит под воздействием высокой температуры (в некоторых каталитических процессах) и водяного пара и при его транспортировке и циркуляции. Этот процесс сопровождается снижением удельной поверхности как носителя (матрицы) катализатора, так и активного компонента (в результате рекристаллизации - коалесценции нанесенного металла с потерей дисперсности).

Химическая дезактивация катализатора обусловливается:

отравлением его активных центров некоторыми содержащимися в сырье примесями, называемыми ядом (например, сернистыми соединениями в случае алюмоплатиновых катализаторов риформинга);

блокировкой его активных центров углистыми отложениями (коксом) или металлоорганическими соединениями, содержащимися в нефтяном сырье.

В зависимости от того, восстанавливается или не восстанавливается каталитическая активность после регенерации катализатора, различают соответственно обратимую и необратимую дезактивации. Однако даже в случае обратимой дезактивации катализатор в конечном счете «стареет» и приходится выгружать его из реактора.

Большое влияние на промышленные процессы оказывает механическая прочность катализатора. Так на всех современных установках каталитического крекинга использован принцип непрерывного движения катализатора - в виде псевдоожиженного слоя, по линии пневмотранспорта или реже в виде слоя крупногранулированных частиц. Во всех случаях частицы претерпевают трение и удары о стенки аппаратуры и друг о друга, в результате чего они могут раскалываться или истираться. Образование катализаторной крошки и пыли нарушает режим пневмотранспорта и псевдоожижения, увеличивает перепад давления в линии. Образующиеся пыль и крошку удаляют, поэтому необходимо заменять их свежими порциями катализатора, что повышает расходы на эксплуатацию установки. Механическую прочность катализаторов определяют методом истирания проб в циркуляционной системе - в псевдоожиженном слое, с одновременными ударами частиц о металлическую поверхность и др.

Еще одной характеристикой катализатора является его регенерируемость . Под регенерируемостью катализатора понимается как способность его восстанавливать активность после соответствующей обработки, так и количественные характеристики процесса регенерации, прежде всего его скорость.

Большое влияние на качество катализатора оказывает способ его получения. Поскольку каталитическая реакция протекает на поверхности, целесообразно получить катализатор с максимально развитой поверхностью с большим количеством пор. Для разных реакций оптимальными могут быть узкие или, наоборот, более широкие поры, а также их комбинации. Не менее важны форма и размер зерен катализатора - от этого зависят удельная производительность, гидравлическое сопротивление слоя катализатора и конструкция реакционных аппаратов (со стационарным, движущимся или псевдоожиженным слоем катализатора). Кроме того, сама активность единицы поверхности катализатора зависит не только от его химического состава, но и от способа его приготовления.

Железные катализаторы для высокопроизводитель- ного синтеза при среднем давлении. После того как были уста- новлены пригодность железных катализаторов для ФТ-синтеза при повышенном давлении (до 1,5 МПа) и вытекающие отсюда пре-имущества улучшенного способа работы, усилилось внимание к получению более производительного железного катализатора. Были исследованы разные пути приготовления железных катали заторов — осаждение, пропитка, спекание, плавление.

Вскоре оказалось, что метод осаждения из водных растворов является самым перспективным для воздействия на свойства све- жеприготовленного катализатора и на его дальнейшую перера ботку.

Сравнительные испытания различных железных катализаторов, проведенные в 1943 г. , подтвердили, что осажденные катали- заторы имеют преимущества по активности и селективности по сравнению со спеченными и плавлеными. Существовала еще одна точка зрения в пользу осажденных катализаторов. Она основыва- лась на возможности управлять (путем изменения состава катали- затора) распределением получаемых соединений с разным числом С-атомов в сравнительно широких пределах и значительно повы-шать гибкость ФТ-синтеза.

По этим причинам фирмы Ruhrchemie и Lurgi вскоре после II мировой войны организовали рабочую группу для дальнейшей разработки осажденных железных катализаторов. В результате проведенных работ и испытаний на установке, сооруженной фир-мами Krupp и Kohlechemie , на установке фирмы Kuhlmann и при высокопроизводительном синтезе фирмы Sasol осажденные ката- лизаторы были значительно улучшены.

Из большого числа испытанных активаторов особенно пригод- ными оказались медь, оксиды кремния и калия. Медь облегчает восстановление оксида железа и стабилизирует структуру кристал-лической решетки восстановленного катализатора. Оксид кремния влияет прежде всего на распределение, величину и объем пор, на внутреннюю поверхность катализатора . Оксид калия ре-гулирует длину углеродной цепи продуктов ФТ-синтеза и снижает метанообразование. Для получения особо активного катализатора применяют раствор трехвалентного железа, тщательно очищенный от хлоридов и сульфатов. Эти ионы снижают активность катализа-тора, вероятно, за счет обусловленных ими структурных изменений.

Особое значение приобретает поверхность восстановленного катализатора, на величину и структуру которой можно влиять (табл. 30), изменяя количество активатора и условия осаждения. В зависимости от содержания SiO 2 и щелочи, от степени восста-новления и условий приготовления (пропитка без последующей нейтрализации, изменение концентрации раствора-осадителя) получают первичные ФТ-продукты с большей или меньшей концен-

Таблица 30. Зависимость состава первичных продуктов ФТ-синтеза от свойств осажденного железного катализатора

Условия синтеза: ≈2,5 МПа, температура рубашки реактора 220—225 С; количество исходного газа 500 л на 1 л катализатора в час; соотношение исходного и циркулирующего газа равно 1: 2,5; степень превращения смеси СО + Н 2 равна 70%: соотношение Н 2: СО в исходном газе равно 1,7: 1

* Все катализаторы содержали дополнительно 5 масс. ч. Cu на 100 масс. ч. Fe .

трацией длинноцепочечных углеводородов (см. табл. 30) и таким образом в качестве основного продукта вырабатывают твердый парафин или моторное топливо.

Изменение состава продуктов в сторону преимущественного об- разования углеводородов с длинной цепью происходит параллель- но с увеличением концентрации оксидов калия и кремния в катализаторе, а также с увеличением его внутренней поверхности. Эти зависимости установлены при одинаковых условиях синтеза, но они могут измениться при варьировании этих условий. Поверхность катализатора, определенная по методу БЭТ, составляет в зависи-мости от условий получения катализатора, его состава и степени восстановленности от 100 до 400 м 2 на 1 г Fe , что значительно вы- ше, чем для катализаторов, производимых другими способами. Доля образовавшихся углеводородов с длинной цепью особенно значительна в случае катализаторов с высоким содержанием пор большого диаметра (например, ≈ 10 нм),в то время как при мень-шем количестве так называемых макропор преимущественно обра-зуются углеводороды с короткой цепью.

Получение железных катализаторов вначале было организова- но с учетом многолетнего опыта производства кобальтовых ката- лизаторов. Однако вскоре выяснилось, что простое перенесение это- го способа обработки не оправдано. В связи с этим были испыта- ны другие пути производства железного катализатора, которые для осажденных катализаторов схематически представлены на рис. 133.

Получение стандартного железного катализатора. Для этого раздельно рас- творяют Fe и Cu в азотной кислоте при повышенной температуре. Очищенные . растворы содержат 100 г Fe /л и 40 г Cu /л; их хранят раздельно с небольшим избытком азотной кислоты (чтобы предотвратить осаждение продуктов гидро- лиза). Осаждение осуществляют, подавая кипящие растворы нитратов железа и меди (40 г Fe /л и 2 г Cu /л) в приготовленный раствор соды, который также нагрет до температуры кипения. Сливание обоих растворов проводят в течение 2—4 мин до получения суспензии с рН 7—8, интенсивно перемешивая для уда- ления выделяющегося диоксида углерода. Суспензию фильтруют, твердую фазу Промывают конденсатом до отсутствия щелочи и кристаллизуют из конденсата.

В эту массу добавляют такое количество раствора жидкого калиевого стекла, чтобы после пропитки получался катализатор с содержанием

Рис. 133. Поточная схема получения осажденных железных катализаторов.

25 масс. ч. кремневой кислоты на 100 масс. ч. железа. Технический раствор жидкого стекла обычно содержит SiO 2 и К 2 О в массовом соотношении 2,5: 1, поэтому вводимый избыток К 2 О необходимо удалять. Для этого к массе добав- ляют определенное количество азотной кислоты и промывают конденсатом твер- дую фазу после фильтрования. Получаемый при этом осадок на фильтре имеет такой состав: 100 масс. ч. Fe , 25 масс. ч. SiO 2 , 5 масс. ч. К 2 О и 5 масс. ч. Cu. Осадок подсушивают, формуют в «колбаски» и окончательно высушивают до остаточного содержания воды 3% (масс). Измельчением зерен до размера 2—5 мм н разделением крупных и мелких частиц процесс получения сырого катализатора закапчивается.

Восстановление катализатора проводят при 230°С в течение 1 ч при атмо- сферном давлении и большой циркуляции водорода. В расчете на суммарное железо восстанавливают 20—30% Fe в металлическую форму, а 45—50% в двухвалентное железо; остальное железо находится в трехвалентной форме.

Эту операцию проводят так же, как и восстановление кобальтовых катализато-ров. Восстановленный пирофорный катализатор хранят в атмосфере инертного газа, а при транспортировании покрывают парафином для защиты от окисления.

Зависимость свойств осажденных катализаторов от условий их приготовления позволяет направленно воздействовать на характе- ристики катализатора, однако требует точного соблюдения приня- тых условий.

Большое число ступеней (они схематично показаны на рис. 133) при неточной работе может явиться причиной необратимого изме-нения свойств готового продукта и привести к нежелательному по- ведению катализатора при синтезе. Многолетний опыт производ- ства кобальтового катализатора и обширные исследования, пред-шествующие промышленному получению железных катализаторов и учитываемые и в настоящее время при выработке осажденных катализаторов, содействовали бесперебойному пуску и надежной работе установок ФТ-синтеза со стационарным слоем железного катализатора.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

1. Введение

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 H 2 SO 4 , затем - процессы получения HNO 3 .

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:

В + АК = АВ + К

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) SO 4 . Катализатор мы приготовили зарание, смешав сульфат меди (II) с раствором аммиака.

Cu SO 4 + 4NH3 ∙ H 2 O = SO 4 + 4H 2 O

SO4

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

Эксперимент №3. Пример гетерогенного катализа. Мы окисляли аммиак кислородом воздуха в присутствии оксида хрома (III), который образуется при разложении дихромата аммония:

(NH 4)2 Cr 2 O 7 = Cr 2 O 3 + N 2 + 4H 2 O

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).

4NH 3 + 5O 2 = 4NO + 6H 2 O

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).

FeCl 3 + 3KCNS = Fe(CNS) 3 + 3KCl

2Fe(SCN) 3 + 2Na 2S2 O 3 = Na 2S4 O 6 + 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 + 3CuSO 4 = Al 2 (SO 4)3 + 3Cu

в) Разложение пероксида водорода в присутствии борной кислоты. Процесс шел медленно, так как борная кислота Н 3 ВО 3 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.

2H 2 O 2 = 2H 2 O + O 2

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 Н 2 О 2 препятствует фермент каталаза, распространенный в клетках, способных существовать в кислородной атмосфере. Фермент каталаза, расщепляя Н 2 О 2 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:

5H 2 C 2 O 4 + 2KMnO 4 + 3H 2 SO 4 = 10CO 2 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8H 2 O

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