3.2 Влияние катализатора

Катализаторами называются вещества, которые не входят в конечные продукты реакции, химически не изменяются и не расходуются, но изменяют скорость химических реакций. Катализаторы позволяют изменять скорость химической реакции, не изменяя температуру системы. Одни катализаторы сильно ускоряют реакции (положительный катализ), другие, напротив, замедляют реакции (отрицательный катализ). Различают гомогенный и гетерогенный катализы. При гомогенном катализе реагенты и катализатор находятся в одной фазе (жидкость или газ), при гетерогенном – в различных фазах (обычно катализатор твердый). Вне зависимости от вида катализа, реакции при участии катализатора протекают через образование промежуточного комплекса с катализатором, и роль катализатора в том, что образование этого комплекса приводит к снижению или повышению энергии активации. В результате, в силу экспоненциальной зависимости (3.7), скорость реакции резко возрастает или, напротив – убывает.

Действие катализатора избирательно. Подбирая катализаторы, можно из одного и того же вещества получать совершенно различные продукты. Для каждой реакции имеется свой катализатор. Часто в качестве катализаторов применяют твердые вещества: платину, палладий, железо, натрий, калий; оксиды Al₂O₃, MnO₂, Cr₂O₃; активированный уголь, силикагель и другие.

Катализ имеет огромное значение в хозяйственной деятельности человека и в природе. Одни катализаторы направляют химический синтез веществ с заданными свойствами, другие (ингибиторы) – предотвращают нежелательные реакции разрушения деталей машин, зданий, сооружений и самых различных материалов. Область применения катализаторов в современных технологиях просто необозрима. Производство аммиака, азотной и серной кислот, формальдегида, этилена, ацетилена, спиртов, каучука и многих технически важных полимеров является каталитическими процессами. Крекинг и реформинг нефтепродуктов – многотоннажные каталитические процессы. Жизнедеятельность организмов любого уровня сложности сопровождается процессами ферментативного катализа. Ферменты – биологические катализаторы белковой природы, обладающие исключительно эффективным и селективным действием.

Задачи

51 Реакция идет по уравнению A_(Г) + 2B_(Г) ® C_(Г). Как изменится скорость реакции, если давление увеличить в 3 раза и одновременно повысить температуру на 30 ˚С? Температурный коэффициент скорости реакции равен 3.

Ответ: увеличится в 729 раз.

52 Реакция протекает по уравнению 2A_(Г) + B_(Г) ® 2C_(Г). Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 2 раза и одновременном понижении температуры на 40 ˚С? Температурный коэффициент скорости равен 2.

Ответ: уменьшится в 128 раз.

53 Скорость реакции возросла в 243 раза, температурный коэффициент равен 3. На сколько градусов была повышена температура?

Ответ: на 50 ˚С.

54 Скорость реакции возросла в 100 раз. Температурный коэффициент равен 2,5. На сколько градусов была повышена температура?

Ответ: на 50 ˚С.

55 При повышении температуры на 50 ˚С скорость реакции возросла в 32 раза. Вычислите температурный коэффициент скорости реакции.

Ответ: γ = 2.

56 При понижении температуры на 45 ˚С реакция замедлилась в 35 раз. Определите температурный коэффициент скорости реакции.

Ответ: γ = 2,2.

57 Реакция протекает по уравнению N₂ + 3H₂ Á 2NH₃. Как изменится скорость реакции, если концентрацию азота увеличить в 4 раза, а концентрацию водорода – в 2 раза?

Ответ: возрастет в 32 раза.

58 Реакция протекает по уравнению 2A + B ® C. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л): C_A = 0,8, C_B = 0,6. Как изменится скорость реакции, если концентрацию вещества В увеличить до 0,9, а вещества А до 1,2 моль/л?

Ответ: возрастет в 3,4 раза.

59 Реакция протекает по уравнению 2A + B ® C. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л): C_A = 2,5, C_B = 8. Как изменится скорость реакции, если концентрацию вещества А уменьшить до 1,5, а вещества В до 4 моль/л?

Ответ: уменьшится в 5,6 раза.

60 Разложение N₂O протекает по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂. Константа скорости равна 5×10^–4 л/моль×мин. По истечении некоторого времени концентрация N₂O стала равной 3 моль/л. Сколько процентов N₂O разложилось, если отношение конечной скорости к начальной равно 0,36? Какова начальная скорость реакции?

Ответ: 40 %; 0,0125 моль/л×мин.

61 Омыление этилацетата описывается следующим уравнением CH₃COOC₂H₅ + NaOH Á CH₃COONa + C₂H₅OH. Начальная концентрация эфира 0,02 моль/л, щелочи 0,1 моль/л. По истечении некоторого времени прореагировало 75 % эфира, и скорость реакции стала равной 4,25×10^–5 моль/л×мин. Вычислить начальную скорость реакции.

Ответ: 2×10^–4 моль/л×мин.

62 Реакция между веществами А и В выражается следующим уравнением 2A + B ® C. Константа скорости равна 0,7 л²/моль^2×мин. Начальная концентрация вещества В равна 0,6 моль/л. После того как прореагировало 40 % вещества А, его концентрация стала равной 0,3 моль/л. Найдите начальную скорость и скорость реакции в тот момент, когда прореагирует 40 % вещества А.

Ответ: 0,105; 0,0315 моль/л×с.

63 Реакция между веществами А и В протекает по следующему уравнению 2A + B ® C. Начальные концентрации реагирующих веществ (моль/л): C_A = 6, C_B = 5. Константа скорости реакции равна 0,5 л²/моль^2×c. Вычислите скорость химической реакции в начальный момент и в тот момент, когда в системе останется 45 % вещества В.

Ответ: 90; 0,28 моль/л×c.

64–67 Константа скорости реакции при t₁ ˚C равна k₁, при t₂ ˚C – k₂. Энергия активации равна E_a, кДж/моль. Вычислить величины, обозначенные вопросом.

№ задачи	t1, ˚C	k1	t2, ˚C	k2	, кДж/моль	Ответ
64	30	0,02	60	?	63	0,19 с–1
65	20	0,03	50	0,4	?	67,9 кДж/моль
66	0	4×10–5	7	7,7×10–5	?	59,4 кДж/моль
67	25	2×10–3	15	?	103,5	4,7×10–4с–1

68–70 Рассчитайте, во сколько раз изменится константа скорости реакции при увеличении температуры от t₁ ˚C до t₂ ˚C, если энергия активации равна , кДж/моль.

№ задачи	t1, ˚C	t2, ˚C	Ea, кДж/моль	Ответ
68	227	727	95,6	10
69	57	127	180,2	10
70	227	727	38,2	10

71 Во сколько раз станет больше скорость прямой реакции по сравнению со скоростью обратной реакции в системе 2A_(Г) + 3B_(Г) Á 2C_(Г) при увеличении давления в 2 раза?

Ответ: в 8 раз.

72 В системе 2A + B ® C концентрацию А увеличили от 0,03 до 0,12 моль/л, а концентрацию В – от 0,02 до 0,06 моль/л. Во сколько раз возросла скорость прямой реакции?

Ответ: в 48 раз.

73 Реакция протекает по уравнению H_2(Г) + I_2(Г) Á 2HI_(Г). Константа скорости реакции равна 0,16 моль/л. Начальные концентрации веществ были (моль/л): С = 0,04, С = 0,05. Вычислите начальную скорость реакции и ее скорость, когда С стала равной 0,03 моль/л.

Ответ: 3,2×10^–4; 1,9×10^–4 моль/л×c.

74 Реакция протекает по уравнению A + B ® C. Начальные концентрации веществ A = 0,1 моль/л, В = 0,1 моль/л. Через некоторое время концентрация вещества А стала равной 0,04 моль/л. Во сколько раз уменьшится скорость реакции?

Ответ: в 6,25 раза.

75 Реакция идет по уравнению A + 2B ® C. Константа скорости равна 0,4 л²/моль²с, а начальные концентрации (моль/л): C_А = 0,3, C_В = 0,5. Вычислите скорость реакции в начальный момент и после того, как прореагирует 0,1 моль/л вещества А.

Ответ: 0,03; 0,0072 моль/л×c.

76 Реакция протекает по уравнению 3H₂ + N₂ Á 2NH₃. Скорость реакции увеличилась в первом случае в 216 раз в результате увеличения концентрации H₂, а во втором в 256 раз в результате повышения давления. Во сколько раз были увеличены концентрация H₂ и давление?

Ответ: в 6 и 4 раза.

77 Реакция протекает по уравнению 2N₂O = 2N₂ + O₂. Константа скорости реакции равна 5×10^–4л/моль×мин. Начальная концентрация N₂O равна 3,2 моль/л. Вычислите скорость реакции в начальный момент и в тот момент, когда разложится 25 % N₂O.

Ответ: 5,12×10^–3; 28,8×10^–4 моль/л×мин.

78 Реакция протекает по уравнению на A_(Г) + 2B_(Г) ® C_(Г). Как изменится скорость реакции при уменьшении давления в системе в 4 раза и одновременном понижении температуры на 20 ˚C? Температурный коэффициент скорости равен 3.

Ответ: уменьшится в 576 раз.

79 Вычислите константу скорости реакции 2A + B ® C, если при концентрациях А и В, равных соответственно 0,5 и 0,6 моль/л, ее скорость составляет 0,018 моль/л×мин.

Ответ: 0,12 л²/моль²мин.

80 Реакция протекает по уравнению 2NO + O₂ Á 2NO. Начальные концентрации веществ равны (моль/л); C = 0,03, C = 0,05. Как изменится скорость реакции вследствие увеличения концентрации кислорода до 0,1, а оксида азота до 0,06 моль/л?

Ответ: увеличится в 8 раз.