Каталізатором називається речовина, яка змінює швидкість реакції, бере участь в реакції, але в кінцеві речовини не входить. Вплив каталізатора на швидкість реакції називається катализом. Швидкість хімічної реакції в присутності каталізатора може збільшуватися (позитивний каталіз) або зменшуватися (негативний каталіз, або інгібування). Залежно від того, чи знаходиться каталізатор в одній фазі з реагують речовинами або утворює окрему фазу, розрізняють гомогенний і гетерогенний каталіз.
Дія позитивних каталізаторів зводиться до зменшення енергії активації реакції, при цьому загальне число активних молекул зростає, швидкість реакції збільшується.
Механізм дії каталізатора може бути найрізноманітнішим і, як правило, дуже складним. У разі гомогенного каталізу механізм дії каталізатора пов'язують зазвичай з утворенням активних проміжних сполук. Наприклад, хімічна реакція
в присутності каталізатора протікає в кілька стадій: каталізатор взаємодіє з одним з речовин з утворенням проміжного з'єднання
потім проміжне з'єднання Akat взаємодіє з іншим вихідним речовиною В, утворюючи кінцевий продукт реакції і виділяючи каталізатор в його первісному вигляді:
У разі позитивного каталізу (рис. 2) енергії активації всіх проміжних стадій реакції (Е а к1 і Е а к2) повинні бути нижче енергії активації без каталізатора (Е а).
Мал. 2. Енергетична схема реакції:
1 - без каталізатора, 2 - з каталізатором
Приклад 7. Енергія активації деякої реакції без каталізатора Е а дорівнює 75,4 кДж / моль, а з каталізатором Еа к = 53,0 кДж / моль. У скільки разів зростає швидкість реакції в присутності каталізатора, якщо реакція протікає при 25 ° С?
Рішення. Позначимо константу швидкості в присутності каталізатора kК. Скористаємося рівнянням Арреніуса (4.9):
Таким чином, швидкість реакції зросте в 8443 рази.
4.1. Як зміниться швидкість реакції SO2 + 2H2 S = 3S + 2H2 O: а) якщо збільшити концентрацію оксиду сірки (IV) в 3 рази; б) збільшити концентрацію сірководню в 3 рази; в) збільшити концентрацію і оксиду сірки (IV) і сірководню в 3 рази?
Відповідь. а) збільшиться в 3 рази; б) збільшиться в 9 разів; в) збільшиться в 27 разів.
4.2. Реакція протікає за рівнянням O2 + 2SO2 = 2SO3. Як за допомогою зміни концентрацій реагуючих речовин збільшити швидкість реакції в 9 разів? (Запропонувати мінімум три варіанти).
4.3. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 3,5. На скільки градусів потрібно збільшити температуру, щоб швидкість реакції зросла: а) в 50 разів; б) в 150 разів?
Відповідь: а) на 30 ° С. б) на 40 ° С.
4.4. При 20 ° С швидкість деякої хімічної реакції дорівнює 1 ммоль / (л # 8729; с). При 80 ° С швидкість збільшується до 100 ммоль / (л # 8729; с). Розрахувати швидкість реакції при температурі 50 ° С.
Відповідь. 9,9 ммоль / (л # 8729; с).
4.5. Знайти значення енергії активації реакції, якщо при підвищенні температури від 100 до 130 ° С її швидкість збільшилася в 20 разів.
Відповідь. 124,8 кДж / моль.
4.6. Каталізатор знижує енергію активації деякої реакції на 20 кДж / моль. У скільки разів збільшиться швидкість цієї реакції, якщо її проводити при температурі 30 ° С?
4.7. Написати вираз закону дії мас для наступних реакцій:
4.8. Як зміниться швидкість реакції 2NO + O2 = 2NO2. а) якщо тиск збільшити в 3 рази; б) концентрацію оксиду азоту (II) зменшити в 2 рази?
Відповідь. а) збільшиться в 27 разів, б) зменшиться в 4 рази.
4.9. При температурі 20 ° С реакція протікає за 1 год. Температурний коефіцієнт швидкості реакції дорівнює 2,5. При якій температурі реакція закінчиться за 5 хв?
4.10. На скільки градусів потрібно підвищити температуру проведення деякої реакції (g = 3), щоб швидкість її зросла: а) в 20 разів; б) в 100 разів?
4.11. Енергія активації деякої реакції становить 98,12 кДж / моль, при введенні каталізатора енергія активації знижується до 79,81 кДж / моль. У скільки разів збільшиться швидкість реакції, що протікає в присутності каталізатора при температурі 100 ° С?
4.12. Каталізатор знижує енергію активації деякої реакції на 22 кДж / моль. Розрахувати, як зміниться швидкість цієї реакції в присутності каталізатора при температурі 75 ° С.
4.13. Як зміниться швидкість реакції 2NO + Cl2 = 2NOCl, якщо одночасно концентрацію оксиду азоту (II) збільшити в 3 рази, а концентрацію хлору зменшити в 3 рази?
Відповідь. збільшиться в 3 рази.
4.14. У скільки разів збільшиться швидкість реакції:
якщо їх проводити не на повітрі, а в середовищі чистого кисню? (Концентрацію кисню в повітрі прийняти за 20% об.)
Відповідь. а) в 5 разів; б) в 3125 разів; в) в 125 раз.
4.15. При збільшенні температури від 30 до 60 ° С швидкість реакції зросла в 64 рази. Як зміниться швидкість цієї реакції при зменшенні температури від 30 до 20 ° С?
Відповідь. зменшиться в 4 рази.
4.16. Температурний коефіцієнт швидкості деякої реакції дорівнює 2,2. При температурі 300 ° С константа швидкості реакції дорівнює 2 # 8729; 10 - 3. Знайти константу швидкості при 400 ° С.
4.17. При зменшенні температури від 40 до 20 ° С реакція сповільнилася в 10 разів. Розрахувати енергію активації цієї реакції.
Відповідь. 87,78 кДж / моль.
4.18. При 20 ° С в присутності каталізатора реакція протікає в 10000 разів швидше, ніж без каталізатора. Знайти енергію активації реакції з каталізатором, якщо енергія активації без каталізатора дорівнює 101,8 кДж / моль.
Відповідь. 79,36 кДж / моль.
4.19. Написати вираз закону дії мас для реакції 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3. У скільки разів збільшиться швидкість реакції, якщо обсяг реакційної посудини зменшити в 2,5 рази?
Відповідь. збільшиться в 15,625 раз.
4.20. Гомогенна реакція протікає по рівнянню 3A2 + B2 = 2A3B. Концентрацію В2 зменшили в 15 разів. Як потрібно змінити концентрацію А2. щоб швидкість прямої реакції не змінилася?
Відповідь. збільшити в 2,47 рази.
4.21. Температурний коефіцієнт швидкості деякої реакції дорівнює 2,8. Як зміниться швидкість реакції: а) при збільшенні температури на 30 ° С; б) збільшенні температури на 70 ° С; в) зменшення температури на 50 ° С?
Відповідь. а) збільшиться
в 22 рази; б) збільшиться
в 1350 разів; в) зменшиться в 172 рази.
4.22. Константа швидкості реакції при 0 і 40 ° С дорівнює 2 # 8729; 10 - 3 і 0,1 відповідно. Визначити температурний коефіцієнт швидкості цієї реакції.
4.23. Як потрібно змінити тиск, щоб швидкість реакції 2CO + O2 = 2CO2. а) збільшилася в 100 разів; б) зменшилася в 10 разів?
Відповідь. а) збільшити в 4,64 рази; б) зменшити в 2,15 рази.
4.24. Гомогенна реакція протікає по рівнянню 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2 O. Як змінитися швидкість реакції, якщо обсяг реакційної посудини зменшити в 2 рази?
Відповідь. збільшиться в 512 разів.
4.25. При зниженні температури на 60 ° С реакція сповільнилася в 64 рази. Визначити температурний коефіцієнт швидкості цієї реакції.
4.26. При якій температурі реакція закінчиться через 20 хв, якщо при температурі 20 ° С для завершення реакції потрібно 3 ч. Температурний коефіцієнт реакції дорівнює 3.
4.27. Енергія активації реакції дорівнює 74,44 кДж / моль. У скільки разів зміниться швидкість реакції, якщо збільшити температуру проведення реакції від 0 до 30 ° С?
4.28. При температурі 0 ° С реакція протікає зі швидкістю 2 моль / (л # 8729; хв), при температурі 50 ° С - 80 моль / (л # 8729; хв). Розрахувати швидкість реакції при температурі 30 ° С.
Відповідь. 18,3 моль / (л # 8729; хв).
4.29. Розрахувати енергію активації реакції, якщо константи швидкості при 25 і 50 ° С відповідно рівні 0,4 і 22.
Відповідь. 128,3 кДж / моль.
4.30. Як зміниться швидкість реакції CO + 3H2 = CH4 + H2 O: а) якщо збільшити тиск в 3 рази; б) зменшити обсяг системи в 2 рази; в) збільшити концентрацію водню в 4 рази?
Відповідь: а) збільшиться в 81 разів; б) збільшиться в 16 разів; в) збільшиться в 64 рази.