Підготовка до ЗНО з хімії

Багато реакцій відбуваються дуже повільно або не відбуваються взагалі у потрібному напрямку без наявності у реакційному середовищі невеликих кількостей певних речовин. Так, у лабораторних умовах для одержання молекулярного кисню використовують реакцію термічного розкладу бертолетової солі (калій хлорату):

2KClO_3(тв) = 2KCl_(тв) + 3O_2(г)

Навіть при значному нагріванні (до початку плавлення) солі, процес відбувається дуже повільно, а основною реакцією є дипропорціювання KClO₃:

4KClO_3(тв) = 3KClО_4(тв) + KCl_(тв)

Але якщо перед нагріванням до KClO₃ додати невелику кількість манган (IV) оксиду MnO₂, швидкість реакції значно зростає, і процес іде у потрібному напрямку з утворенням калій хлориду та молекулярного кисню. Після завершення реакції весь MnO₂ залишається кількісно і якісно незміненим.

Речовини, які збільшують швидкість хімічних реакції, беручи участь у проміжних стадіях, але не витрачаються на утворення продуктів реакції називають каталізаторами.

Зміна швидкості реакції під впливом каталізатора називається каталізом, а реакції, що відбуваються за участю каталізаторів – каталітичними.

Якщо реагенти і каталізатор перебувають в одній фазі, каталіз називають гомогенним (прикладом є розглянута реакція розкладу калій хлорату), а коли в різних – гетерогенним (синтез амоніаку NH₃ з молекулярних водню та азоту, або окиснення сульфур (IV) оксиду SO₂ киснем повітря до сульфур (VІ) оксиду SO₃ у присутності V₂O₅). В останньому випадку швидкість реакції залежить і від площі стикання реагентів, оскільки реакція відбувається на поверхні каталізатора.

Деякі речовини можуть прискорювати одні процеси і сповільнювати інші. Якщо в присутності даної речовини швидкість хімічної реакції зростає, то каталіз позитивний. Якщо швидкість зменшується – негативний. Негативні каталізатори називають інгібіторами. Так, реакція Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ не відбувається в присутності уротропіну (гексаметилентетраміну), який є її інгібітором.

Механізм дії каталізаторів пояснюють зниженням енергії активації реакції шляхом утворення проміжних сполук з реагентами (активні комплекси), для чого необхідна менша енергія. Реакція відбувається шляхом, який є енергетично доступнішим:

І. Без каталізатора:

ІІ. З каталізатором:

У результаті проходження реакції за ІІ шляхом утворюється продукт АВ а каталізатор К виділяється у незмінному вигляді.

Зі схеми видно, що каталізатор однаково змінює швидкість прямої і зворотної реакції.

Прикладом гомогенного каталізу за таким механізмом є реакції, що лежать в основі виробництва сульфатної кислоти нітрозним методом. Однією із стадій процесу є окиснення сульфур (IV) оксиду SO₂ киснем повітря до сульфур (VІ) оксиду SO₃ у присутності каталізатора NO:

O2 + 2NO = 2NO2 NO2 + SO2 = SO3 + NO		A + K = AK AK + B = AB + K
O2 + 2SO2 = SO3		A + B = AB

Зазначимо, що без каталізатора ця реакція практично не відбувається.

Каталізатори характеризуються специфічністю та універсальністю. Специфічні каталізатори прискорюють лише одну реакцію, для інших неефективні (MnO₂ прискорює розклад лише KClO₃).

Існують каталізатори із груповою специфічністю. Наприклад V₂O₅ прискорює окиснення NH₃, SO₂; Ni – процеси гідрування/дегідрування органічних сполук.

Універсальні каталізатори змінюють швидкість різних реакцій (Рt є каталізатором реакцій окиснення SO₂ до SO₃ і гідрування ненасичених сполук).

Каталізатори іноді змінюють не лише швидкість, а й напрям проходження реакції. Вище розглянуто різницю у напрямках розкладу KClO₃ без MnO₂, та у його присутності. Іншим прикладом є каталітичний термоліз етанолу С₂Н₅ОН. Якщо процес проводити при 30 ⁰С у присутності Al₂O₃, то продуктами реакції є етан СН₂=СН₂ і вода Н₂О:

СН₃–СН₃–ОН  СН₂=СН₂ + Н₂О

Якщо реакцію проводити при 250 ⁰С у присутності порошку міді Cu, утворюються ацетальдегід СН₃СОН і молекулярний водень Н₂:

СН₃–CH₂–ОН  СН₃СOН + Н₂

Використання каталітичних реакції. У хімічній промисловості понад ¾ виробництв базуються на застосуванні каталізаторів. Серед них – виробництва амоніаку, нітратної та сульфатної кислот, різноманітні органічні синтези.

Величезну роль відіграє каталіз у біологічних системах. Більшість реакцій у живих організмах є каталітичними. Біокаталізатори (ферменти або ензими) – це прості або складні білки. Ферменти є високоспецифічними каталізаторами – в організмі людини є понад 3000 ферментів, кожен з яких каталізує лише одну “свою” реакцію.