Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
132
Гетерогенный катализ осуществляется на границе раздела катализатор — реагирующая система.
Вообще говоря, нельзя утверждать, что при гетерогенном катализе на границе раздела не образуется каких-либо промежуточных соединений, но основную роль в нем играет адсорбция.
Адсорбция возникает за счет свободной энергии поверхности, обусловленной неуравновешенностью частиц, образующих поверхностный слой (см. гл. 8). Притягивая к себе частицы из другой фазы, частицы поверхностного'слоя уменьшают свою неуравновешенность, устанавливая связь с адсорбированными частицами и выделяя при этом энергию. По величине энергии, выделяющейся при адсорбции, можно отличить различные виды этого физико-химического процесса:
а) физическая адсорбция, проявляющаяся при низких температурах. Энергии выделяется мало, и адсорбированные частицы почти не меняют своего строения;
б) активированная адсорбция связана с более значительным выделением энергии. Адсорбированные частицы, взаимодействуя с поверхностью адсорбента, возбуждаются и изменяют свое строение. Обычно при этой форме адсорбции проявляется и каталитическое действие.
в) хемосорбция сопровождается большим выделением энергии, и адсорбированные частицы вступают в реакцию с поверхностью адсорбента (топохимические соединения).
Характерной особенностью хемосорбции является глубокое изменение вещества при адсорбции, что выражается в несовпадении продуктов десорбции с адсорбируемым, веществом.
Этот вид адсорбции реже используется для каталитических процессов.
Таким образом, каталитическое воздействие поверхности сводится к двум факторам: увеличение концентрации на границе раздела и активирование адсорбированных молекул.
Как известно, смесь кислорода с водородом реагирует при комнатной температуре очень медленно, но если.внести в смесь тонкораздробленную платину (платинированный асбест), то газовая смесь реагирует со взрывом. Если направить струю водорода на платинированный асбест, то водород загорается на воздухе (Дёбе-рейнер).
При гетерогенном катализе снижается энергия активации реагирующей системы за счет энергии адсорбции и повышается концентрация реагирующего вещества (или обоих веществ) на границе раздела — в результате скорость химических реакций возрастает (табл. 5.2).
Гетерогенный катализ широко применяется в химической промышленности при производстве различных продуктов: синтез аммиака, синтез формальдегида, окисление аммиака до оксида азота и т. д. Применение катализа при производстве различных продуктов имеет огромное экономическое значение, так как ускорение процесса равносильно введению новых производственных мощно
133
Таблица 5.2. Изменение энергии активации некоторых реакций в присутствии катализаторов, кДж/моль
Уран пение реакции Каталнзатор Энергия актиняции гомогенной реакции
без
катализатора н нрисутстнни катализатора
ы2о-^2 + 7А А и 224,0 121,0 136,0 ¦
ын3->7А+3/2н2 ш
ОБ Мо 296,0 163,0 197,0 134—175,0
с2н4 + н2-*с2нв Си РР, N1; Рс1 182,0 29,0 50,2 41,8
стей, а путем катализа можно ускорить процесс в сотни и тысячи раз.
В машиностроении гетерогенный катализ используется для дожигания продуктов сгорания в двигателях внутреннего сгорания, в печах с беспламенным горением газа (катализирующие стенки) и т. д.
Вопросы и задачи
1. Определите время, необходимое для распада некоторого вещества на 90%, если период полураспада равен 7'|),в = 2 ч, а процесс идет по уравнению первого порядка.
Если вещество распалось на 90%, то х=0,9а, тогда по уравнению (5.10)
Го,!) =т-1п-7ГК- = т-^п 10-
/г, а—0,9а /г,
Разделим полученное уравнение на уравнение периода полураспада:
г -7Г1п1° , ,А Ь±^1±--4^=3.33;
отсюда время распада на 90% будет:
Тц,ч = 7"0,5 • 3,33 =6,66 ч.
2. Константа скорости реакции
С2Н5Вг-*С2Н4 + НВг
выражается уравнением (5.21). Найдите период полураспада бромистого этила при 300 и 1000 К, если /г0=7,2-10~'2с~', А = 218 кДж/моль. Для 300 К константа скорости
/г300 == 7,2- 10 - 2(',с-1; Г„,п = 2,67-1021 ч; для 1000 К константа скорости
*юоо = 25,5 с"1; 7*0,6 = 2,72• Ю""2 с.
134
3. Металлический кубик со стороной 1 см растворяется в кислоте
Ме" + 2Н+-*Ме* + Ч-Н,| Напишите уравнение скорости гетерогенной реакции и определите, во сколько раз возрастет .скорость, если разделить исходный куб на кубики со стороной 0,1 см. Ответ. В 10 раз.
4. Энергия активации гидрирования этилена в газовой среде без катализатора А ~ 182 кДж/моль. Определите, во сколько раз возрастет скорость реакции гидрирования в присутствии топкораздробленной платины, если в этом случае энергия активации равна 41,8 кДж/моль (см. табл. 5.2), принять 7' = 500 К (расчет аналогичен задаче 2).
Ответ. 4,00 • К)12 раз.
Глава шестая
ЭНЕРГИЯ И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
6.1. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ КАК ИСТОЧНИКИ ИЛИ ПОТРЕБИТЕЛИ ЭНЕРГИИ
В результате химической реакции выделяется или поглощается энергия, так как реакция сопровождается перестройкой энергетических уровней атомов или молекул веществ, участвующих в ней, и веществ, образующихся в ходе реакции.
