Jakie są rodzaje katalizatorów? W jaki sposób wpływają na ..., Schematy z Chemia

Pobierz Jakie są rodzaje katalizatorów? W jaki sposób wpływają na ... i więcej Schematy w PDF z Chemia tylko na Docsity!

Jakie są rodzaje katalizatorów? W jaki sposób

wpływają na szybkość reakcji chemicznej?

Wprowadzenie Przeczytaj Film samouczek Sprawdź się Dla nauczyciela

Reakcja chemiczna może przebiegać powoli lub szybko. Na jej prędkość można wpłynąć, wiesz jak? Czy reakcję chemiczną możemy przyspieszyć za pomocą tajemniczego składnika? A może jesteśmy w stanie ją spowolnić? Chemia to dziedzina otwierająca wiele ciekawych możliwości dla badaczy. Nie istnieją takie granice, których nie da się przekroczyć. Naukowcy potrafią otrzymywać zaplanowane związki chemiczne, wpływać na szybkość reakcji, niwelować produkty uboczne poprzez odpowiednią optymalizację badanej reakcji chemicznej.

Twoje cele

Wyjaśnisz wpływ katalizatorów na szybkość reakcji chemicznej. Przeanalizujesz wykres zależności zmian energii wewnętrznej od czasu (bez udziału katalizatora i z katalizatorem). Zaprojektujesz doświadczenie przedstawiające wpływ katalizatora na szybkość reakcji chemicznej.

Enzymy są biologicznymi katalizatorami. Szybkość reakcji katalizowanych przez enzymy jest - razy szybsza niż reakcji katalizowanych przez układy nieenzymatyczne. Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

108 1011

Jakie są rodzaje katalizatorów? W jaki sposób wpływają

na szybkość reakcji chemicznej?

ciśnienia (dla reakcji w stanie gazowym).

Reakcja chemiczna jest przemianą jednego substratu lub więcej w jeden bądź kilka różnych produktów. Ważnym zagadnieniem, które wyjaśnia, w jaki sposób zachodzi reakcja pomiędzy cząsteczkami reagentów, jest teoria zderzeń. Zgodnie z nią cząsteczki mogą reagować ze sobą pod warunkiem, że zderzą się ze sobą i ich energia będzie odpowiednio wysoka. Wówczas takie zderzenie nazywane jest zderzeniem efektywnym, a energia, jaką mają wtedy substraty, nazywa się energią aktywacji. W trakcie zderzenia efektywnego tworzy się kompleks aktywny, który jest stanem przejściowym na drodze od substratów do produktów. Powyższą teorię ilustruje wykres:

Wykres zależności zmian energii wewnętrznej od czasu Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

A + B → [AB]* → AB

Wykresy zależności zmian energii wewnętrznej od czasu dla reakcji egzoenergetycznej (po lewej stronie) i endoenergetycznej (po prawej stronie) Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Warunkiem niezbędnym do zajścia reakcji chemicznej jest powstanie kompleksu aktywnego. Jego wysoka energia wewnętrzna stanowi czasami przeszkodę do przeprowadzenia reakcji chemicznej. Jednak pokonanie tej bariery energetycznej jest możliwe poprzez zastosowanie katalizatorów.

Ciekawostka

Chemia katalizatorów jest szybko rozwijającą się i kreatywną dziedziną nauki. Katalizatory w obecnych czasach przyjmują bardzo rozbudowany wymiar i nie są to tylko metale, tlenki czy proste sole nieorganiczne, ale również rozbudowane związki metaloorganiczne (związki organiczne, które zawierają minimum jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej) oraz wiele innych.

Katalizator jest substancją, która ułatwia przeprowadzenie reakcji chemicznej. Łączy się z substratami i tworzy zmodyfikowany kompleks aktywny. Aby go utworzyć, potrzebna jest znacznie mniejsza energia, niż przy tworzeniu kompleksu aktywnego między samymi substratami. Zatem działanie katalizatora polega na obniżeniu energii aktywacji danej reakcji chemicznej, na skutek czego jest możliwe powstanie danego produktu. Wówczas reakcja przebiega szybciej.

Wykres zależności zmian energii wewnętrznej od czasu a) z udziałem katalizatora, b) bez udziału katalizatora Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Czasami działanie katalizatora skutkuje ciągiem kilku reakcji z jego udziałem, wtedy energia aktywacji ulega zmianie na dwie lub więcej mniejszych energii aktywacji.

Wykres zależności zmian energii wewnętrznej od czasu z udziałem katalizatora, przebiegający z utworzeniem jednego produktu przejściowego Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Katalizator w trakcie reakcji chemicznej nie ulega zużyciu, bowiem po jej zakończeniu całkowicie się odtwarza, a jego ilość i postać jest taka sama na początku, jak i na końcu reakcji. Zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez katalizator nazywa się katalizą.

Przeciwieństwem katalizatorów są inhibitory , stosuje się je do reakcji przebiegających zbyt gwałtownie, aby zwolnić ich przebieg i uzyskać nad nimi kontrolę. Wyróżniamy katalizatory/inhibitory homogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie co substraty, oraz heterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty. Znanych jest kilka rodzajów katalizy, wyróżniamy:

katalizę homogeniczną (jednorodną, jednofazową), np.:

katalizę heterogeniczną (niejednorodną, wielofazową), np.:

biokatalizę (zachodzącą pod wpływem enzymów, witamin lub hormonów), np.:

autokatalizę (katalizowaną powstającym produktem), np.:

H 2 O 2

FeCl3(aq)

→ 2 H 2 O + O 2

H 2 O 2

MnO2(s)

→ 2 H 2 O + O 2

skrobia

α−amylaza

→ dekstryny

Katalizowane reakcje

Przykłady katalizatorów (rodzaj katalizy)

Przykład reakcji

reakcja estryfikacji kwasu octowego z alkoholem etylowym

kwas lub

(homogeniczna)

reakcja nitrowania związków aromatycznych

stężony kwas

(homogeniczna) Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

reakcja halogenowania

halogenek żelaza( ) np.: ,

(heterogeniczna) Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Ciekawostka

Z życia codziennego nazwa „katalizator” kojarzyć Ci się może z motoryzacji. I jeśli takie skojarzenie nasunęło Ci się jako pierwsze, to bardzo słusznie!

HCl H 2 SO 4 CH 3 COOH + CH 3 CH 2 OH ⇄ CH 3 COOCH 2 C

H 2 SO 4

III FeCl 3 FeBr 3

Schemat budowy katalizatora samochodowego Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Katalizator samochodowy (w żargonie motoryzacyjnym – reaktor katalityczny) to część układu wydechowego, znajdująca się we wszystkich współczesnych samochodach osobowych (i innych urządzeniach napędzanych silnikiem spalinowym). Spełnia ona funkcję systemu, który zmniejsza ilość szkodliwych składników spalin.

Działanie reaktora katalitycznego polega na pobudzaniu składników spalin do reakcji ze sobą poprzez substancje chemiczne (katalizatory) zawarte w reaktorach. Odpowiednio dobrane substancje chemiczne w postaci katalizatorów powodują powstawanie mniej szkodliwych spalin. Najczęściej wykorzystywanymi substancjami katalitycznymi w tym celu są metale szlachetne, takie jak rod, pallad czy platyna.

Słownik

katalizator

substancja chemiczna, której dodatek do reakcji powoduje przyspieszenie, a po zakończeniu reakcji jest ona w całości odzyskiwana; wyróżniamy katalizatory homogeniczne, czyli będące w takiej samej fazie co substraty, oraz heterogeniczne, które są w innej fazie niż substraty

kataliza heterogeniczna

zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez dodanie do układu reakcyjnego katalizatora, znajdującego się w innej fazie termodynamicznej niż co najmniej jeden substrat

reakcja chemiczna, która przebiega z pochłanianiem energii z otoczenia do układu reakcyjnego

Bibliografia

Encyklopedia PWN

Bielański A., Podstawy Chemii nieorganicznej, Warszawa 1994.

Bełtowska‐Brzezinska M., Podstawy kinetyki chemicznej - skrypt do wykładów, Poznań

Hejwowska S, Marcinkowski R., Równowagi i procesy jonowe, Gdynia 2005.

Energia w reakcjach chemicznych, online: http://www.mlyniec.gda.pl/%7Echemia/ogolna/reakcje/reakcje_energia.html,dostęp: 15.06.2021.

Reaktor katalityczny, online: https://pl.wikipedia.org/wiki/Reaktor_katalityczny, dostęp: 15.06.2021.

Film samouczek

Polecenie 1

Z czym kojarzą Ci się katalizatory? Jaki jest ich podział ze względu na rodzaje? Zapoznaj się z samouczkiem i rozwiąż poniższe zadania.

Film dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DRBttMeO Film samouczek pt. „Jakie są rodzaje katalizatorów? W jaki sposób wpływają na szybkość reakcji chemicznej?” Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Film opowiada o rodzajach katalizatorów oraz ich wpływie na szybkość reakcji chemicznej.

Ćwiczenie 1

Połącz w pary pojęcia z definicjami, które je opisują.

Katalizator homogeniczny

zjawisko przyspieszenia reakcji chemicznej przez powstający w trakcie reakcji produkt (pełniący funkcję katalizatora).

Autokataliza

wytwarzany w komórkach organizmów żywych; katalizator przemian biochemicznych (enzymy i hormony).

Katalizator heterogeniczny znajduje się w innej fazie niż reagenty, których reakcję przyśpiesza.

Biokatalizator znajduje się w tej samej fazie co reagenty, których reakcję przyśpiesza.

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Uzupełnij luki w poniższym tekście odpowiednimi wyrażeniami.

jest substancją, która ułatwia przeprowadzenie reakcji chemicznej. Aby go utworzyć, potrzebna jest znacznie energia, niż przy tworzeniu kompleksu aktywnego między samymi substratami. Zatem działanie polega na energii aktywacji danej reakcji chemicznej, na skutek czego jest możliwe powstanie danego produktu. Wówczas reakcja przebiega.

Inhibitor katalizatora podwyższeniu większa Katalizator mniejsza

szybciej wolniej inhibitora obniżeniu

Ćwiczenie 2

Naszkicuj wykres zależności zmiany energii wewnętrznej od czasu dla podanej reakcji (reakcja zachodzi bez produktów pośrednich i jest to reakcja egzoenergetyczna):

• bez udziału katalizatora;
• z udziałem katalizatora.

Uwzględnij wszystkie ważne opisy charakteryzujące ten wykres.

A

B

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

Ćwiczenie 3

Krzywe i na poniższym wykresie obrazują wzrost stężenia produktu w mieszaninie reakcyjnej dla pewnej reakcji chemicznej, która zachodzi bez obecności katalizatora oraz w obecności katalizatora.

Wykres zależności zmiany energii wewnętrznej od czasu Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

A B

Oceń prawdziwość poniższych zdań. Zaznacz „Prawda”, jeśli zdanie jest prawdziwe, lub „Fałsz”, jeśli jest fałszywe.

Zdanie Prawda Fałsz Krzywa A obrazuje wzrost stężenia produktu w mieszaninie reakcyjnej dla reakcji zachodzącej w obecności katalizatora, natomiast krzywa B obrazuje wzrost stężenia produktu w mieszaninie reakcyjnej dla reakcji zachodzącej bez katalizatora. Jednym z efektów wywoływanych przez katalizator jest przesunięcie stanu równowagi reakcji w stronę produktów. Katalizator obniża energię aktywacji reakcji chemicznej, przez co ułatwia jej przebieg.

輸

Ćwiczenie 6

Oceń, czy podane katalizatory są homogeniczne, czy heterogeniczne? Wstaw „heterogeniczny” lub „homogeniczny”.

Pallad w reakcji addycji wodoru (uwodornienia) do etenu –. Bromek żelaza( ) w reakcji bromowania benzenu –. Kwas siarkowy( ) w reakcji nitrowania toluenu –. Kwas solny w reakcji estryfikacji kwasu masłowego z metanolem –. Tlenek wanadu( ) w reakcji utleniania do –.

III VI

V SO 2 SO 3

heterogeniczny homogeniczny heterogeniczny homogeniczny homogeniczny heterogeniczny homogeniczny heterogeniczny heterogeniczny heterogeniczny

homogeniczny

醙

Ćwiczenie 7

Na podstawie zapisanych poniżej dwóch etapów pośrednich reakcji, ustal:

1. wzór katalizatora;
2. wzór produktu przejściowego;
3. równanie reakcji bez katalizatora.

Etap :

Etap :

I

NO 2 + SO 2 → SO 3 + NO

II

2 NO + O 2 → 2 NO 2

Odpowiedź zapisz w zeszycie do lekcji chemii, zrób zdjęcie, a następnie umieść je w wyznaczonym polu.

Zaloguj się, aby dodać ilustrację.

難