nekrasovI (1114433), страница 114

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 114)

фаты. Действительно, н при произволстве серной кислоты, н прн выплавке металлов а сернистых руд, и при различных применениях самородной серы конечными возвращае мыми природе продуктами неизменно являются либо серная кислота, либо ее сола Ю 8. Катализ Таким образом, цикл преврвптеиип серы в природе представляет собой не просто круговорот, а вместе с тем определенный поступ а тел ьн ы А процесс, развивавшийся в направлении перехода серы от более устойчивых прн прежних условиях сульфидов к более устойчивым прн современных условиях сульфатам. 5 3.

Катализ. Как видно из материала 5 1, оба технических метода производства одного из важнейших продуктов химической промышленности — серной кислоты — основаны на каталитических процессах. Процессы эти приобрели в настоящее время настолько важное значение, что на рассмотрении их химизма следует остановиться несколько подробнее. Хотя отдельные наблюдения, относящиеся к влиянию «посторонних» веществ на протекание химических реакций, были сделаны еще в ХЧ!!! веке, быстрое развитие учения о катализе характерно лишь для текущего столетия. Определение понятия «катализатор» может быть дано в уже приводившейся ранее (Н $3) форме: к а т а л н затор о м называется вещество, ускоряющее реп кци ю, но в р- езульт те ее само остающееся химически н еизмененным кз Все многообразие каталитических процессов целесообразно свести к двум общим случаям: катализа гомогенного и гетерогенного, Первый характеризуется принадлежностью реагирующих веществ и катализатора к одной и той же фазе, второй — к разным.

Например, если вся система газообразна или представляет собой раствор, имеем случай гомогенного катализа. Сюда относится, в частности, получение серной кислоты по иитрозному методу. Напротив, контактный метод является случаем гетерогенного катализа, так как твердый катализатор ускоряет здесь реакцию между газообразными веществами.

Химизм гомогенного катализа рассматривают обычно, исходя из теории промежуточных соединений. Согласно этой теории, медленно протекающие реакции А+ Б=АБ могут значительно ускориться, если их вести «обходным» путем, через более реакционноспособные промежуточные соединения реагирующих веществ с катализатором. Обозначив его через К, получим для обоих процессов следующие примерные схемы: А+К=АК ВГ+К=ВГК АК+ Б=АБ+ К ВГК=В+ Г+ К Как видно из этих схем, катализатор после реакции остаегся неизмененным.

Во многих случаях гомогенного катализа существование промежуточных соединений реагирующих веществ с катализатором было доказано экспериментально. Иллюстрирующим теорию промежуточных соединений примером может служить иитрозный метод производства серной кислоты, для которого имеем медленно протекающий процесс: Оз+ 2НзЗОз = 2НзЯО, (А + Б = АБ) быстро протекающие процессы: От+ 2ХО =2й!От (А + К =АК) 2)х(Оз+ 2НзЬОз= 2НзБОа+ 2ХО (АК + Б = АБ + К) 'т7П. Шестая грсгаяа аериодичесяаа системы Помимо чисто химического, гомогеиный катализ имеет громадное биологическое значение.

В организмах и животных, и растений содер. жатся «ферменты» — органические вещества сложного строения, играющие роль катализаторов при разнообразных жизненных процессах. Оня обнаруживают резкую специфичность действия, так как каждый нз них ускоряет только определенный процесс, не влияя на другие. В этом отношении ферменты превосходят неорганические катализаторы, которые большей частью могут ускорять ряд сходных по химизму реакций. ' В химизме гетерогенного катализа важнейшую роль играет а де о р б ц н я.

Благодаря ей на поверхности катализатора создается у в ел ичен ие кон цен тр а пи н реагирующих частиц, что уже само по себе ведет к ускорению реакции. Однако несравненно более важнын фактором является повышение химической активности адсорбированных молекул по сравнению с нх обычным состоянием. Это (как и сама адсорбция) обусловлено действием силового поля катализатора н сказывается в резком возрастании доли «успешных» столкно.

вений между взаимодействующими частицами. В рез)льтате соответственно увеличивается скорость реакции. Специфичность действия катализатора проявляется прн гетерогенном катализе не менее резко, чем при гомогенном. Этим сильно затруз. няется его подбор для той илн иной реакции. Такой подбор приходится обычно вести путем многочисленных проб отдельных веществ, так как общих теоретических указаний по вопросу о выборе катализатора пока ие существует. "-'з Помимо явно каталнтических процессов, в химии постоянно прн. ходится иметь дело с такими, при которых каталитические влияния проявляются в скрытой форме. Сюда относятся прежде всего реакция в растворах, на большинстве которых сильно сказывается природа применяемого растворителя. Каталнтнческое влияние растворителя ндст главным образом па линии расслабления связей в реагирующих молекулах, вследствие чего онн н становятся более реакционноспособными.

Но чем полярнее яо. лекулы растворителя, тем сильнее нх влияние на частицы растворен. ных веществ. Поэтому реакции в растворах протекают, как правило, тем быстрее, чем полярнее растворнтель. Наиболее полярным из обычных растворителей является вода. Ках уже известно из предыдущего (Ч 5 4), действие ее на внутрнмолекулярпые связи сказывается настолько сильно, что многие полярные молекулы распадаются иа ноны, обменные реакции между которымн нро.

текают практически моментально. Даже в виде следов вода оказывается необыкновенно активным и разносторонним катализатором, На пример, при полном ее отсутствии хлор не действует иа металлы, фта. ристый водород не разъедает стекло, натрий и фосфор не окисляются на воздухе н т. д. Подобным же образом следы водяного пара сильна катализнруют некоторые реакции разложения (С!зО и др.).

Можно сказать, что если бы мы изучали вещества при полном отсутствии води, то наши представления о химических свойствах многих элементов в соединений были бы совершенно иными, чем в настоящее время. Другим важным фактбром, часто оказывающим каталитическое влияние в скрытой форме, являются с т е н к и с о с у д о в, в которых проводятся химические процессы. Очевидно, что стенки этн могут в от. дельных случаях играть роль гетерогенных катализаторов. Поэтому соответствующие реакции будут протекать с различной скоростью в зависимости от природы материала, из которого сделан реакционный са- ъ4т Э Ю.

Катализ суд. Например, соединение водорода с кислородом начинает заметно идти в стеклянном сосуде лишь около 450'С, а в платиновом — при обычных температурах. В отсутствие освещения смесь водорода с фтором взрывается в стеклянных сосудах уже при температуре жидкого воздуха, в серебряных — лишь при обычных условиях, а в сосудах нз металлического магния (предварительно обработанных фтором) — только при нагревании. Роль каталитнческих явлений как в химии, так и в биологии исключительно велика и многообразна.

Изложенное выше показывает, что каталитические влияния в более или менее явной форме имеют место почти прн каждой химической реакции. Точно так же почти каждый протекающий в живом организме процесс при' ближайшем рассмотрении оказывается связанным с каталнтическими воздействиями.

Ряд важненших производственных методов химической промышленности уже в настоящее время построен на основе катализа, причем последний с каждым годом завоевывает новые области применения. Можно с уверенностью ожидать, что зто направление явится одной из основных линн!! развития химической промышленности и в будущем. Дополнения !) С формальной стороны действие катализатора аналогично нагреванию — н в тем и в другом случае наблюдается ускорение реакции. Однако между этими двумя влияниями имеется глубокое принципиальное различие по существу. В то время как завышение температуры сопровождается сообщением системе энергии извне, каталишзор добавить энергии не может (так как иначе ои ие оставался бы после реакции неизмененным).

В результате ускорение реакции прн помощи нагревания неизбежно вязано со смещением ее равновесия ((Ч 4 2), тогда как прп действия катализатора ушоряется д о с т и ж е н н е системой равновесного состояния, но само отвечающее , данным условияв~ п оп о же и не равновесия остается неизменным.

Отсюда следует, что применение катализатора особенно целесообразно в тех случаях, когда жела' телько ускорять постижение равновесия ири возможно низких температурах. Необхо, данае для протекания кзталнзнруемого процесса количество каталюатора очень не' манко (напрнмер, окисление Хаз50, кислородом воздуха заметно ускоряется уясе при , шздвпии в растворе !Отм и, концентрации, Сц50з), ио достигаемая скорость процесса враблизктельно пропорциональна этому количеству. 2) Особым случаем катализа является аутокпгалкз (Ч)! $ ! доп, 20). Хороший мз пример дает реакция между хлоратом и бпсульфитом: если несколько крпсталлишв КС!Оз облить в пробирке концентрированным раствором ХаН50з, то сперва взаиаадействне между обоими веществами не нзблюлается, но через некоторое время азчанают появляться отдельные пузырьки газа (50з), число которых постепенно возрштзет настолько, что реакция становитсв бурной.

Нарастание скорости процесса обусловлено повышением кнслотности среды по каре протекания реакции. Так как вторая константа лиссопиации Нз50з весьма мала, шзямодействие по схеме Н50, + С(0з' ч~ 50," + НС(0, ведет первоначально к образованию лишь ипчтогнных коаишеств свободной хлорноватой кислоты. Но раз образо. швшись, последняя. взаимодействует с избытком ХаН50з по уравнению: НСГОз -)- +4ХаН50з = ЗХаН50з -(- Нз50з+ ХаС!.

В результате реакции получаются ХаН50, в Нзйбь т. е. вещества, имеющие значительно более кислотный характер, чем ХаН50з. Пзавление этих веществ обусловливает, с одной стороны, вылелеппе пузырьков серавстого газа, с другой — повышение концентрации водородных ионов. Так как последкее обстоятельство благоприятствует образованию свободной хлорноватой кислоты, ароцесс окисления бнсульфнта начнизст протекать еше энергичнее, что ведет к дальнейшему появлению в растворе ХаН50, н Нз50з н т.

Характеристики

Список файлов книги