Реферат на тему гетерогенные системы

Обновлено: 05.07.2024

Каталитические процессы подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют ряд особенностей и преимуществ: катализ позволяет интенсифицировать химические превращения, включая и реакции, которые без катализатора практически не протекают. Катализаторы дают возможность направлять химическую реакцию в сторону образования желаемого продукта, в реакциях синтеза высокополимеров позволяют регулировать строение и свойства конечных материалов.

Прикрепленные файлы: 1 файл

реферат катализ.docx

Роль катализа в современной технологии трудно переоценить. Катализ – это изменение скорости химических реакций под влиянием особых веществ – катализаторов. Катализатор. Помогая осуществить химическую реакцию, по окончании её выделяется в неизменном виде; таким образом, роль катализатора сводится к изменению пути протекания химических реакций.

В настоящее время в химической промышленности и смежных с нею отраслях свыше 90% вновь вводимых технологий составляют каталитические процессы. На основе катализа производятся десятки тысяч наименований промышленной продукции (неорганические кислоты, аммиак, мономеры для синтеза полимеров, различные органические кислоты, спирты, альдегиды и др.). Катализ широко применяется в производстве лекарственных веществ, моющих средств, является основой новых процессов нефтехимического синтеза, реакций получения полимеров.

На основе катализа созданы перспективные способы производства моторных топлив из угля, сланцев и торфа; широкое применение находят каталитические процессы гидрирования жиров в пищевой промышленности.

Всё больше используется катализ для охраны окружающей среды от загрязнений сточными водами, вредными промышленными автомобильными газами.

Отличаясь высокими технико-экономическими показателями, будучи в большинстве своём непрерывными, замкнутыми, безотходными, малоэнергоёмкими процессами с высоким доходом промышленной продукции, каталитические процессы практически не имеют ограничений в областях применения и по сумме технологических и экономических показателей не имеют себе равных.

Каталитические процессы подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют ряд особенностей и преимуществ: катализ позволяет интенсифицировать химические превращения, включая и реакции, которые без катализатора практически не протекают. Катализаторы дают возможность направлять химическую реакцию в сторону образования желаемого продукта, в реакциях синтеза высокополимеров позволяют регулировать строение и свойства конечных материалов.

Катализ – явление специфичное; для каждой реакции используется свой катализатор. В качестве катализаторов используются различные вещества: газы, жидкости, твёрдые тела.

1. Общие сведения о катализе

Явление катализа широко распространено в природе и интенсивно используется в технике для ускорения химических превращений. Катализатором называют вещество, которое существенно изменяет скорость реакции, оставаясь химически неизменным после ее окончания и не входит в состав продуктов превращения. Это, однако, не означает, что катализатор вообще не принимает участия в реакции. Влияние катализатора определяется его влиянием на протекание элементарных химических актов, при которых образуются неустойчивые промежуточные вещества. Это приводит к изменению механизма реакции, и она протекает по другому пути, чем в отсутствие катализатора. В результате уменьшается энергия активации реакции и увеличивается ее скорость. Вследствие распада промежуточных продуктов происходит регенерация катализатора, который вновь способен образовывать промежуточные соединения и, таким образом, продолжается его действие. Примером каталитической реакции является один из вариантов превращения молекул озона в кислород, происходящего в верхних слоях земной атмосферы:

Здесь атомы хлора являются катализатором. Важно, что значительные изменения скоростей химических реакций наблюдаются при добавлении очень малых количеств катализатора по сравнению с массой реагирующих веществ.

Если катализатор ускоряет реакцию, то катализ называется положительным, а если замедляет - отрицательным. Вещества, уменьшающие скорость реакции, называют ингибиторами. Различают гомогенный и гетерог енный катализ. В первом случае, как в приведенном выше примере, катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе - в газе или в растворе. Во втором - химическое превращение происходит на поверхности твердого тела, чаще всего на самом твердом катализаторе. Наиболее важное практическое значение имеет гетерогенный катализ. В химической промышленности доля каталитических процессов составляет ∼70 %.

В металлургии катализаторы применяют в процессах, в которых участвуют газы, например, при получении защитных атмосфер в печах для термической обработки сплавов или при конверсии природного газа.

Для катализаторов характерна специфичность, т.е. способность ускорять лишь определенные реакции из числа потенциально возможных. Такие металлы, как медь и особенно никель, имеют большое сродство к водороду, который активировано адсорбируется на их поверхности. Подобные переходные металлы являются специфическими катализаторами для реакций дегидрогенизации. Так, при пропускании паров этилового спирта над Cu или Ni при 300-400° C происходит отщепление водорода и образование уксусного альдегида:

C2H5(OH)г → CH3CHOг + Hг.

Глинозем и некоторые другие оксидные катализаторы при обработке, обеспечивающей большую внутреннюю поверхность, активно адсорбируют пары воды и являются хорошими катализаторами реакции дегидратации. В присутствии глинозема приведенная выше реакция разложения спирта идет по другому пути, т.е. с образованием этилена и паров воды:

C2H5(OH)г → С2H4г + H2Oг.

Следует, однако, подчеркнуть, что катализаторы могут ускорять только термодинамически возможные реакции. Присутствие катализатора не может изменить состояние равновесия данной реакции, а лишь изменяет скорость, с которой достигается такое состояние. Это является следствием второго закона термодинамики, так как равновесию отвечает минимум энергии Гиббса. Для того, чтобы сместить равновесие при постоянной температуре, необходимо затратить работу. Очевидно, что само по себе присутствие катализатора не может служить источником такой работы. Поэтому с помощью катализатора нельзя изменить величину константы равновесия реакции по сравнению со случаем, когда та же реакция протекает по некаталитическому пути. При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны между собой и, следовательно, катализатор ускоряет обе эти реакции в одинаковой степени.

2. Гомогенный катализ

Одним из примеров гомогенного катализа в газовой фазе является реакция окисления SO2 до SO3, применявшаяся при производстве серной кислоты:

При некоторых процессах металлургического производства также протекают газовые каталитические реакции. Одной из них является дожигание СО до СО2. Эта реакция является примером катализа, имеющего цепной механизм. Она ускоряется в присутствии следов воды. При высоких температурах пары воды, хотя и в очень малой степени, диссоциируют с образованием атомарного водорода и свободного радикала ОН. Эти частицы, являющиеся активными центрами, вызывают следующую цепную реакцию:

COг + OH → CO2г + H;

COг + HO2 → CO2г + OH и т.д.,

где суммарным процессом является реакция

COг + 1/2O2г → CO2г.

Одним из примеров каталитических реакций в растворах является распад перекиси водорода в воде в присутствии ионов йода:

В водных растворах распространено явление кислотно-основного катализа.

Еще в конце XIX в. было установлено влияние добавок кислот и оснований на скорость реакций в водных растворах. Это привело к заключению, что ионы водорода и гидроксила отличаются каталитическими свойствами. Дальнейшие исследования показали, что каталитическая активность кислот и оснований сохраняется и в неводных растворах, где электролитическая диссоциация слаба.

Это явление может быть понято на основе представлений Бренстеда и Лаури о кислотах и основаниях как о веществах, способных обмениваться протонами. Соответственно кислотой называется соединение, способное отдавать протоны, т.е. являющееся "донором" протонов, а основанием - "акцептор" - вещество, способное присоединять протоны.

Согласно изложенным выше представлениям катализ кислотой обусловлен переходом протона от К к исходному веществу R с образованием неустойчивого промежуточного соединения RH+, которое, распадаясь, дает конечный продукт X и регенерирует кислоту:

R + K = RH+ + O- и RH+ + O- → X + K.

Соответственно схема катализа основаниями имеет вид:

RH + O- = R- + K и R- + K → X + O-.

Кинетику таких каталитических реакций, например, с участием кислоты, можно рассматривать как последовательный, процесс, протекающий в две стадии:

где k1, k2 и k3 - константы скоростей соответствующих реакций.

Комплекс RH+ можно рассматривать как переходное состояние, находящееся в равновесии с исходным веществом R. На первой стадии при таком равновесии скорости прямой ω→ и обратной ω← реакций R + K ←→ RH+ → O- равны между собой, т.е. ω→ = k1cRcK = ω← = k2cRH+cO-2. Отсюда величина CRH+ = (ki/k2)cKcK/c0- и, следовательно, скорость суммарной реакции выражается уравнением:

= k3cRH+ = k3(k1/k2)cRcK/cO-. (XIX.1)

Таким образом, при постоянном содержании исходного вещества скорость реакции пропорциональна концентрации катализатора. Если же скорость распада промежуточного соединения RH+ с образованием X (в данном случае О-) намного больше скорости его обратного превращения в R, то между R и RН+ не может установиться равновесие. В этом случае суммарная скорость процесса определяется скоростью первой стадии (перехода протона от кислоты к R), и, поскольку концентрация кислоты К остается постоянной, должна иметь место реакция первого порядка с константой скорости k = k1[K].

3. Гетерогенный катализ

Как отмечалось, гетерогенный катализ широко используется в промышленности (синтез и окисление аммиака, синтез метилового спирта, переработка нефтяных продуктов).

Реакции гетерогенного катализа представляют собой многостадийные процессы, включающие стадии внешней и внутренней диффузии в порах катализатора к поверхности зерен. Так как каталитическое превращение происходит на поверхности твердого тела, то скорости подобных реакций пропорциональны его суммарной поверхности, т.е. чем сильнее развита внутренняя поверхность, тем эффективнее действие катализатора.

В противоположность гомогенным реакциям, скорости гетерогенных процессов зависят не от объемных концентраций, а от поверхностных концентраций реагентов.

Согласно Определению, катализатор остается химически неизменным после завершения реакции. Однако при гетерогенном катализе, обычно протекающем при высоких температурах, неизбежно изменяется физическое состояние катализатора, прежде всего микроструктура его поверхности. Такие изменения непосредственно наблюдаются с помощью электронных микроскопов. При увеличении в 50000 раз можно, например, видеть, что зерна свежеприготовленного медно-хромового катализатора имеют сильно развитую поверхность с большим числом мелких пор. После длительной работы происходит спекание зерен этого катализатора в сплошную крупнокристаллическую массу и наблюдается потеря каталитических свойств. Кроме того, свойства твердых катализаторов могут ухудшаться из-за "отравления" их поверхности как вследствие адсорбции посторонних веществ (ядов), так и в результате протекания самой реакции. Примером действия ядов является "отравление" различными соединениями мышьяка платинового катализатора, применяемого при контактном способе производства серной кислоты.

Уже на ранних стадиях изучения газовых реакций, происходящих на поверхности твердых тел, было найдено, что их первой стадией является адсорбция реагентов, а по завершении процесса десорбция продуктов. Поэтому при рассмотрении кинетики гетерогенных каталитических реакций используют различные изотермы адсорбции, которые позволяют определять связь между концентрациями реагирующих веществ на поверхности твердого тела и в объеме. Так, уравнение изотермы Лангмюра (гл. XV) применяют для рассмотрения кинетики мономолекулярной реакции Aг → Bг, происходящей на поверхности твердого тела. Так как обычно адсорбционное равновесие устанавливается существенно быстрее, чем протекает химическое превращение, то скорость реакции пропорциональна поверхностной концентрации газа в адсорбированном слое или, что то же, доле занятых активных центров 0 на поверхности катализатора.

При малых давлениях и малых величинах bA в знаменателе этого уравнения можно пренебречь произведением bАрА по сравнению с единицей и реакция имеет первый порядок, т.е. -dcA/dτ = kbApA. При больших давлениях и сильной адсорбции можно пренебречь единицей по сравнению с bApA и наблюдается нулевой порядок, т.е.

-dcA/dτ = k′ (например, при диссоциации NH3 на молибдене и вольфраме). Этот случай соответствует заполнению всех активных центров на поверхности катализатора, когда θA → 1 и, следовательно, концентрация А постоянна. Как показывают исследования, при промежуточных степенях заполнения поверхности в кинетические уравнения подобных реакций давление входит в дробных степенях, т.е.

Если в какой-либо реакции продукт превращения также адсорбируется, то θA уменьшается и скорость реакции также должна уменьшиться. В этом случае согласно уравнению Лангмюра для одновременной адсорбции газов.

Это означает, что адсорбция продукта реакции В замедляет процесс вследствие отравления катализатора. Такое явление наблюдается и при адсорбции посторонних газов, например, соединения мышьяка отравляют платиновые катализаторы.

Перейдем теперь к более сложному случаю бимолекулярных реакций, в которых участвуют два газообразных вещества А и В. Здесь, очевидно, возможна адсорбция молекул двух типов на поверхности катализатора, и скорость реакции будет определяться уравнением

При одновременной адсорбции двух газов доли поверхности-катализатора, занятые молекулами А и В,θA и θB выражаются уравнениями:

Если оба газа относительно слабо адсорбируются, то при малых величинах pA и рB (при низких давлениях) будет наблюдаться реакция второго порядка (пренебрегаем величинами bApA и bBpB).

Компоненты - индивидуальные вещества, которые, будучи взяты в наименьшем числе, достаточны для построения всей системы, причем предполагается, что система находится в равновесном состоянии. Компоненты можно определить как независимые составные части системы.

Пример: система вода – соль. Обе составные части являются компонентами, т. к. их количества в системе можно менять независимо одно от другого и обе они нужны для построения системы.

Число компонентов в системе может быть равно или меньше числа составных частей.

Если в системе химические реакции идти не могут, то число компонентов равно числу составных частей (под составными частями системы подразумеваются те образующие ее вещества, которые способны к существованию в изолированном виде). Такая система называется физической, или системой I класса.

Если же в системе могут идти химические превращения, то число компонентов равно числу составных частей, уменьшенному на число независимых химических реакций, которые могут идти в ней. Такая система называется химической, или системой II класса.

Таким образом - система вода – соль – физическая, если у соли нет кристаллогидрата. Примером химической системы может служить система KNO3 – NaCl – H2O. В результате обменной реакции

KNO3 + NaCl = KCl + NaNO3

образуются две другие соли. Число составных частей будет равно 5. Однако число компонентов равно 4.

По числу компонентов системы делятся на однокомпонентные, двухкомпонентные (бинарные), трехкомпонентные (тройные) и т. д.

Фаза – совокупность однородных систем, находящихся между собой в термодинамическом равновесии. Равновесная гетерогенная система состоит из нескольких (минимум двух) фаз. Если в системе имеется несколько однородных частей, тождественных по составу и термодинамическим свойствам, то все они образуют одну фазу.

если Н2О находится в равновесии с паром, то в этой системе имеются две фазы: вода и пар;

если система состоит из насыщенного раствора соли, кристаллов соли и пара, то в системе существует 3 фазы.

Равновесие в гетерогенной системе

Система находится в механическом и тепловом равновесии, если Р и Т во всех фазах одинаковы. Однако в системе при этих условиях возможен переход вещества из одной фазы в другую. Признаком того, что система также находится в равновесии, т. е. не происходит перехода какого-либо компонента из одной фазы в другую, является равенство удельных химических потенциалов данного компонента в рассматриваемых фазах.

Одним из важнейших законов гетерогенного равновесия является правило фаз. Оно оперирует с основными понятиями о компоненте, фазе и числе степеней свободы. Два первых понятия определены выше.

Под термодинамическими степенями свободы, или просто под степенями свободы, подразумеваются независимые параметры системы, находящиеся в термодинамическом равновесии, которые могут принимать произвольные значения в определенном интервале, причем число фаз не изменяется. Другими словами, степенями свободы являются те параметры системы, которые играют роль независимых переменных. Все остальные параметры будут их функциями.

Число степеней свободы (вариантность системы) – это число, указывающее, скольким параметрам, характеризующим состояние равновесной системы, можно давать произвольные значения без того, чтобы число фаз в системе изменилось.

Правило фаз: В изолированной равновесной системе число фаз плюс число степеней свободы равно числу компонентов плюс 2

т. к. условием равновесия является равенство химических потенциалов, а значение их не зависит от количества фазы, то и равновесие в системе не зависит от количества фазы.

Пример: В систему, состоящую из 100 г льда и 1 кг воды, можно добавить (или отнять) еще льда или воды, взятого, конечно, в том же состоянии (Т, Р), в котором находился лед.

Если какой-то параметр, характеризующий систему остается постоянным, то число переменных уменьшится на единицу и правило фаз запишется в виде:

Число степени свободы уменьшится в этом случае на единицу. В таком виде правило фаз применяется при изучении диаграммы состояния систем, образованных практически нелетучими веществами. Влияние давления на эти системы невелико и его принимают за постоянную величину.

Пример: диаграмма плавкости нелетучих металлов при атмосферном давлении.

Классификация систем

Нонвариантные системы: число фаз больше числа компонентов на 2, следовательно число степеней свободы равно 0 (изменение хотя бы одного параметра приводит к исчезновению по крайней мере одной фазы).

Моновариантные системы: число фаз больше числа компонентов на 1, следовательно число степеней свободы равно 1 (только один параметр может быть выбран произвольно без изменения в системе числа фаз).

Дивариантные системы: число фаз равно числу компонентов, следовательно число степеней свободы равно 2 (два параметра могут быть выбраны произвольно без изменения числа фаз системы).

Тривариантная: число фаз меньше числа компонентов на единицу. Число степеней свободы равно 3.

При изображении диаграммы состояния нонвариантному равновесию соответствует точка (все координаты – определенные и постоянные величины); моновариантному – отвечает линия (одна координата может быть выбрана произвольно); бивариантному – участок площади или поверхности (две координаты могут быть произвольно выбраны) и .т. д.

Если состояние системы определяется не только температурой и давлением, но и концентрацией, то правило фаз запишется в виде:

В этом случае число степеней свободы всегда будет больше на единицу.

Пример: дополнительным параметром может быть величина поверхности частиц, так, например, отдельные частички, из которых состоит одна фаза, настолько мелкие, что нельзя пренебречь значением поверхностной энергии.

Диаграммы состояния (однокомпонентные системы)

Для описания свойств систем широко используют диаграммы состояния. На осях координат откладывают значения температуры и давления, характеризующие условия существования, для выражения состава системы используют одну или две координаты. Линиями (поверхностями) на таких диаграммах разделяют области существования отдельных фаз.

Уравнение Клаузиуса – Клайнерона

Ко всем моновариантным равновесиям можно применить известную из термодинамики формулу Клаузиуса-Клайнерона:


(14)

q – скрытая теплота перехода одной фазы в другую, находящуюся с ней в равновесии;

Т – абсолютная температура, при которой находятся эти фазы;

?V – изменение объема при переходе от одной фазы к другой.

q – всегда положительная (поглощенная теплота).

Вторая форма этого уравнения:


(15)

имеет более ограниченное применение, чем первое, т. к. она относится к моновариантным равновесиям лишь таких систем, в которых одна фаза – газообразная.

Гетерогенность системы варьируется от ее определения в одной области знаний к другой. Тем не менее, эта концепция имеет много общего в кулинарии и химии.


Например, пицца с ее поверхностью, заполненной ингредиентами, как та, что на изображении выше, представляет собой гетерогенную систему. Точно так же салат, смесь орехов и хлопьев, или газированный напиток также считаются гетерогенными системами..

Обратите внимание, что его элементы отличаются простым зрением и могут быть разделены вручную. Как насчет майонеза? Или молоко? На первый взгляд они однородны, но микроскопически они являются гетерогенными системами; точнее, они являются эмульсиями.

В химии ингредиенты состоят из реагентов, частиц или исследуемого вещества. Фазы являются только физическими агрегатами этих частиц, которые обеспечивают все качества, которые характеризуют фазы. Таким образом, жидкая фаза спирта "ведет себя" иначе, чем у воды, и даже больше, у жидкой ртути..

В некоторых системах фазы распознаются так же, как насыщенный раствор сахара, с кристаллами на заднем плане. Каждый из них сам по себе может быть классифицирован как гомогенный: вверху фаза, образованная водой, а внизу твердая фаза, состоящая из кристаллов сахара..

В случае системы вода-сахар речь не идет о реакции, но о насыщении. В других системах трансформация материи присутствует. Простым примером является смешивание щелочного металла, такого как натрий, и воды; Это взрывоопасно, но вначале кусок металлического натрия окружен водой.

Как и в случае с майонезом, в химии существуют гетерогенные системы, которые макроскопически проходят сквозь гомогенные, но в свете мощного микроскопа они показывают свои истинные гетерогенные фазы..

  • 1 Характеристики гетерогенной системы
    • 1.1 Степень наблюдения
    • 2.1 Насыщенные растворы (жидкость-жидкость, жидкость-твердое вещество, жидкость-газ)
    • 2.2 Растворы с осажденными солями
    • 2.3 Фазовые переходы
    • 2.4 Твердые вещества и газы
    • 3.1 Фильтрация
    • 3.2 Декантация
    • 3.3 Скрининг
    • 3.4 Imaging
    • 3.5 Центрифугирование
    • 3.6 Сублимация

    Характеристики гетерогенной системы

    Каковы характеристики гетерогенной химической системы? В общих чертах они могут быть перечислены следующим образом:

    -Они состоят из двух или более фаз; другими словами, это не однородно.

    -Как правило, он может состоять из любой из следующих пар фаз: твердое-твердое, твердое-жидкость, твердый газ, жидкость-жидкость, жидкость-газ; и, кроме того, все три могут присутствовать в одной и той же системе твердое-жидкость-газ.

    -Его компоненты и фазы различимы, в первую очередь, с первого взгляда. Поэтому достаточно наблюдать за системой, чтобы сделать выводы из ее характеристик; такие как цвет, вязкость, размер и форма кристаллов, запах и т. д..

    -Обычно это включает термодинамическое равновесие или высокое или низкое сродство между частицами в фазе или между двумя различными фазами..

    -Физико-химические свойства варьируются в зависимости от региона или направления системы. Таким образом, значения, например, температуры плавления, могут колебаться от одной области неоднородного твердого тела к другой. Кроме того, (наиболее распространенный случай) цвета или тона меняются по всему телу (жидкости или газа) при сравнении.

    -Они представляют собой смеси веществ; то есть это не относится к чистым веществам.

    Степень наблюдения

    Любая однородная система может считаться неоднородной, если масштаб или степень наблюдения изменены. Например, графин, наполненный чистой водой, представляет собой однородную систему, но, поскольку наблюдаются его молекулы, их миллионы со своими собственными скоростями..

    С молекулярной точки зрения система продолжает оставаться гомогенной, потому что это только молекулы H.2О. Но при дальнейшем уменьшении масштаба наблюдения до атомных уровней вода становится неоднородной, поскольку она состоит не из одного типа атомов, а из водорода и кислорода..

    Поэтому характеристики гетерогенных химических систем зависят от степени наблюдения. Если вы рассмотрите микроскопическую шкалу, вы можете найти многогранные системы.

    Твердое тело A, по-видимому, однородное и серебристого цвета, может состоять из нескольких слоев различных металлов (ABCDAB . ) и, следовательно, быть гетерогенным. Следовательно, A является гомогенным макроскопически, но гетерогенным на микро (или нано) уровнях.

    Кроме того, одни и те же атомы являются гетерогенными системами, поскольку они состоят из вакуума, электронов, протонов, нейтронов и других субатомных частиц (например, кварков)..

    классификация

    Принимая во внимание степень макроскопического наблюдения, которая определяет видимые характеристики или измеримое свойство, химические гетерогенные системы можно классифицировать следующими способами:

    Насыщенные растворы (жидкость-жидкость, жидкость-твердое вещество, жидкость-газ)

    Насыщенные растворы представляют собой тип гетерогенной химической системы, в которой растворенное вещество не может продолжать растворяться и образует фазу, отдельную от фазы растворителя. Пример кристаллов воды и сахара попадает в эту классификацию.

    Молекулы растворителя достигают точки, в которой они не могут принимать или растворять растворенное вещество. Затем дополнительный раствор, будь то твердый или газообразный, быстро перегруппируется с образованием твердого вещества или пузырьков; то есть система жидкость-твердое тело или газообразная жидкость.

    Раствор также может быть жидкостью, которая смешивается с растворителем до определенной концентрации; в противном случае они будут смешиваться во всех концентрациях и не будут образовывать насыщенный раствор. Под смешиванием понимается, что смесь двух жидкостей образует единую однородную фазу.

    Если, с другой стороны, жидкий раствор не смешивается с растворителем, как в случае со смесью масла и воды, раствор насыщается при добавлении наименьшего количества. В результате образуются две фазы: одна водная, а другая маслянистая..

    Растворы с осажденными солями

    Некоторые соли устанавливают баланс растворимости, потому что взаимодействия между их ионами очень сильны и перегруппируются в кристаллы, что вода не может диссоциировать.

    Этот тип гетерогенной системы также состоит из жидкой и твердой фаз; но, в отличие от насыщенных растворов, растворенное вещество представляет собой соль, которая не требует больших количеств для осаждения.

    Например, при смешивании двух водных растворов ненасыщенных солей, одного из NaCl и другого из AgNO3, нерастворимая соль AgCl выпадает в осадок. Хлорид серебра устанавливает баланс растворимости в растворителе, наблюдая беловатое твердое вещество в водном контейнере.

    Таким образом, характеристики этих растворов зависят от типа образовавшегося осадка. В целом, соли хрома очень цветные, а также марганец, железо или какой-либо комплекс металлов. Этот осадок может быть кристаллическим, аморфным или желатиновым твердым веществом.

    Фазовые переходы

    Глыба льда может образовывать однородную систему, но при таянии образует дополнительную фазу жидкой воды. Следовательно, фазовые переходы вещества также являются гетерогенными системами..

    Кроме того, некоторые молекулы могут выходить с поверхности льда в паровую фазу. Это потому, что не только жидкая вода представляет давление пара, но и лед, хотя в меньшей степени.

    Гетерогенные системы фазовых переходов относятся к любому веществу (чистому или нечистому). Таким образом, все твердые вещества, которые тают, или жидкость, которая испаряется, принадлежат к этому типу системы.

    Твердые вещества и газы

    Очень распространенным классом гетерогенных систем в химии являются твердые вещества или газы с несколькими компонентами. Например, пицца на изображении попадает в эту классификацию. И если бы вместо сыра, паприки, анчоусов, ветчины, лука и т. Д. Он содержал бы серу, уголь, фосфор и медь, то у него было бы другое гетерогенное твердое вещество..

    Сера выделяется из-за своего желтого цвета; уголь для того, чтобы быть черным телом; фосфор красный; и блестящая и металлическая медь. Все они прочные, поэтому система состоит из фазы, но состоит из нескольких компонентов. В повседневной жизни примеры систем такого типа неисчислимы.

    Кроме того, газы могут образовывать гетерогенные смеси, особенно если они имеют разные цвета или плотности. Они могут тянуть очень маленькие частицы, как это происходит с частицами воды внутри облаков. Когда они увеличиваются в размерах, они поглощают видимый свет, и в результате облака становятся сероватыми.

    Примером гетерогенной системы твердого газа является дым, который состоит из очень маленьких частиц углерода. По этой причине дым неполного сгорания черноватый.

    Методы фракционирования

    Фазы или компоненты гетерогенной системы могут быть разделены с использованием различий в их физических или химических свойствах. Таким образом, исходная система фракционируется до тех пор, пока не останутся только гомогенные фазы. Некоторые из наиболее распространенных методов являются те, которые следуют.

    фильтрация

    Фильтрация используется для отделения твердого вещества или осадка от жидкости. Таким образом, две фазы удается разделить, хотя и с определенным уровнем загрязненности. По этой причине твердое вещество обычно подвергают промывке, а затем сушат в печи. Эту процедуру можно выполнить с помощью вакуума или просто под действием силы тяжести..

    декантирование

    Этот метод также полезен для отделения твердого вещества от жидкости. Он немного отличается от предыдущего тем, что твердое вещество обычно имеет твердую консистенцию и полностью оседает на дне контейнера. Для этого просто наклоните горловину емкости под соответствующим углом, чтобы из нее вытекла жидкость..

    Аналогично, декантация позволяет разделить две жидкости, то есть систему жидкость-жидкость. В этом случае мы используем разделительную воронку.

    Двухфазная смесь (две несмешивающиеся жидкости) переносится в воронку, а жидкость с более низкой плотностью будет располагаться сверху; в то время как более высокая плотность, в нижней части, в контакте с выходным отверстием.


    Верхнее изображение представляет разделительную или декантирующую воронку. Этот стеклянный материал также используется для экстракции жидкость-жидкость; то есть извлекать растворенное вещество из исходной жидкости, добавляя другую жидкость, в которой она еще более растворима.

    просеивание

    Скрининг используется для разделения твердых компонентов разных размеров. Очень часто можно найти на кухне сито или сито для очистки зерна, очистки пшеничной муки или удаления твердых остатков густых соков. В химии, он может быть использован для отделения небольших кристаллов от других более крупных величин.

    намагничивание

    Этот метод используется для твердотельных систем, где один или несколько компонентов притягиваются магнитом. Таким образом, исходная гетерогенная фаза очищается, когда магнит удаляет ферромагнитные элементы. Например, намагниченность используется для отделения белой жести от мусора.

    центрифугирование

    Центрифугирование отделяет взвешенное твердое вещество от жидкости. Он не может быть отфильтрован, потому что частицы плавают равномерно, занимая весь объем жидкости. Чтобы разделить обе фазы, некоторое количество гетерогенной смеси подвергается центробежной силе, которая осаждает твердое вещество в нижней части центрифужной пробирки..

    сублимация

    Метод сублимационного разделения применяется только для летучих твердых веществ; то есть для людей с высоким давлением пара при низких температурах.

    При нагревании гетерогенной смеси летучее твердое вещество уходит в газовую фазу. Примером его применения является очистка образца, загрязненного йодом или хлоридом аммония.

    примеров

    До сих пор было упомянуто несколько примеров гетерогенных химических систем. В дополнение к ним, дополнительные и другие, не входящие в химический контекст, перечислены ниже:

    -Гранит, камни реки, горы или любая скала с прожилками многочисленных цветов.

    -Минералы также считаются гетерогенными системами, поскольку они образованы несколькими типами твердых структур, состоящих из ионов. Его качества являются продуктом взаимодействия между ионами кристаллической структуры и примесями..

    -Безалкогольные напитки. В них существует равновесие жидкость-газ, которое, когда внешнее давление уменьшается, растворимость растворенного газа уменьшается; по этой причине наблюдается много пузырьков (газообразный раствор), поднимающихся к поверхности жидкости, когда они не покрыты.

    -Любая реакционная среда, которая включает реагенты в разных фазах и которая также нуждается в магнитной мешалке, чтобы гарантировать более высокую скорость реакции.

    -Гетерогенные катализаторы. Эти твердые вещества обеспечивают участки на их поверхности или поры, где ускоряется контакт между реагентами, и они не вмешиваются и не подвергаются необратимому превращению в реакции..

    Каталитические процессы подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют ряд особенностей и преимуществ: катализ позволяет интенсифицировать химические превращения, включая и реакции, которые без катализатора практически не протекают. Катализаторы дают возможность направлять химическую реакцию в сторону образования желаемого продукта, в реакциях синтеза высокополимеров позволяют регулировать строение и свойства конечных материалов.

    Прикрепленные файлы: 1 файл

    реферат катализ.docx

    Роль катализа в современной технологии трудно переоценить. Катализ – это изменение скорости химических реакций под влиянием особых веществ – катализаторов. Катализатор. Помогая осуществить химическую реакцию, по окончании её выделяется в неизменном виде; таким образом, роль катализатора сводится к изменению пути протекания химических реакций.

    В настоящее время в химической промышленности и смежных с нею отраслях свыше 90% вновь вводимых технологий составляют каталитические процессы. На основе катализа производятся десятки тысяч наименований промышленной продукции (неорганические кислоты, аммиак, мономеры для синтеза полимеров, различные органические кислоты, спирты, альдегиды и др.). Катализ широко применяется в производстве лекарственных веществ, моющих средств, является основой новых процессов нефтехимического синтеза, реакций получения полимеров.

    На основе катализа созданы перспективные способы производства моторных топлив из угля, сланцев и торфа; широкое применение находят каталитические процессы гидрирования жиров в пищевой промышленности.

    Всё больше используется катализ для охраны окружающей среды от загрязнений сточными водами, вредными промышленными автомобильными газами.

    Отличаясь высокими технико-экономическими показателями, будучи в большинстве своём непрерывными, замкнутыми, безотходными, малоэнергоёмкими процессами с высоким доходом промышленной продукции, каталитические процессы практически не имеют ограничений в областях применения и по сумме технологических и экономических показателей не имеют себе равных.

    Каталитические процессы подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют ряд особенностей и преимуществ: катализ позволяет интенсифицировать химические превращения, включая и реакции, которые без катализатора практически не протекают. Катализаторы дают возможность направлять химическую реакцию в сторону образования желаемого продукта, в реакциях синтеза высокополимеров позволяют регулировать строение и свойства конечных материалов.

    Катализ – явление специфичное; для каждой реакции используется свой катализатор. В качестве катализаторов используются различные вещества: газы, жидкости, твёрдые тела.

    1. Общие сведения о катализе

    Явление катализа широко распространено в природе и интенсивно используется в технике для ускорения химических превращений. Катализатором называют вещество, которое существенно изменяет скорость реакции, оставаясь химически неизменным после ее окончания и не входит в состав продуктов превращения. Это, однако, не означает, что катализатор вообще не принимает участия в реакции. Влияние катализатора определяется его влиянием на протекание элементарных химических актов, при которых образуются неустойчивые промежуточные вещества. Это приводит к изменению механизма реакции, и она протекает по другому пути, чем в отсутствие катализатора. В результате уменьшается энергия активации реакции и увеличивается ее скорость. Вследствие распада промежуточных продуктов происходит регенерация катализатора, который вновь способен образовывать промежуточные соединения и, таким образом, продолжается его действие. Примером каталитической реакции является один из вариантов превращения молекул озона в кислород, происходящего в верхних слоях земной атмосферы:

    Здесь атомы хлора являются катализатором. Важно, что значительные изменения скоростей химических реакций наблюдаются при добавлении очень малых количеств катализатора по сравнению с массой реагирующих веществ.

    Если катализатор ускоряет реакцию, то катализ называется положительным, а если замедляет - отрицательным. Вещества, уменьшающие скорость реакции, называют ингибиторами. Различают гомогенный и гетерог енный катализ. В первом случае, как в приведенном выше примере, катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе - в газе или в растворе. Во втором - химическое превращение происходит на поверхности твердого тела, чаще всего на самом твердом катализаторе. Наиболее важное практическое значение имеет гетерогенный катализ. В химической промышленности доля каталитических процессов составляет ∼70 %.

    В металлургии катализаторы применяют в процессах, в которых участвуют газы, например, при получении защитных атмосфер в печах для термической обработки сплавов или при конверсии природного газа.

    Для катализаторов характерна специфичность, т.е. способность ускорять лишь определенные реакции из числа потенциально возможных. Такие металлы, как медь и особенно никель, имеют большое сродство к водороду, который активировано адсорбируется на их поверхности. Подобные переходные металлы являются специфическими катализаторами для реакций дегидрогенизации. Так, при пропускании паров этилового спирта над Cu или Ni при 300-400° C происходит отщепление водорода и образование уксусного альдегида:

    C2H5(OH)г → CH3CHOг + Hг.

    Глинозем и некоторые другие оксидные катализаторы при обработке, обеспечивающей большую внутреннюю поверхность, активно адсорбируют пары воды и являются хорошими катализаторами реакции дегидратации. В присутствии глинозема приведенная выше реакция разложения спирта идет по другому пути, т.е. с образованием этилена и паров воды:

    C2H5(OH)г → С2H4г + H2Oг.

    Следует, однако, подчеркнуть, что катализаторы могут ускорять только термодинамически возможные реакции. Присутствие катализатора не может изменить состояние равновесия данной реакции, а лишь изменяет скорость, с которой достигается такое состояние. Это является следствием второго закона термодинамики, так как равновесию отвечает минимум энергии Гиббса. Для того, чтобы сместить равновесие при постоянной температуре, необходимо затратить работу. Очевидно, что само по себе присутствие катализатора не может служить источником такой работы. Поэтому с помощью катализатора нельзя изменить величину константы равновесия реакции по сравнению со случаем, когда та же реакция протекает по некаталитическому пути. При равновесии скорости прямой и обратной реакции равны между собой и, следовательно, катализатор ускоряет обе эти реакции в одинаковой степени.

    2. Гомогенный катализ

    Одним из примеров гомогенного катализа в газовой фазе является реакция окисления SO2 до SO3, применявшаяся при производстве серной кислоты:

    При некоторых процессах металлургического производства также протекают газовые каталитические реакции. Одной из них является дожигание СО до СО2. Эта реакция является примером катализа, имеющего цепной механизм. Она ускоряется в присутствии следов воды. При высоких температурах пары воды, хотя и в очень малой степени, диссоциируют с образованием атомарного водорода и свободного радикала ОН. Эти частицы, являющиеся активными центрами, вызывают следующую цепную реакцию:

    COг + OH → CO2г + H;

    COг + HO2 → CO2г + OH и т.д.,

    где суммарным процессом является реакция

    COг + 1/2O2г → CO2г.

    Одним из примеров каталитических реакций в растворах является распад перекиси водорода в воде в присутствии ионов йода:

    В водных растворах распространено явление кислотно-основного катализа.

    Еще в конце XIX в. было установлено влияние добавок кислот и оснований на скорость реакций в водных растворах. Это привело к заключению, что ионы водорода и гидроксила отличаются каталитическими свойствами. Дальнейшие исследования показали, что каталитическая активность кислот и оснований сохраняется и в неводных растворах, где электролитическая диссоциация слаба.

    Это явление может быть понято на основе представлений Бренстеда и Лаури о кислотах и основаниях как о веществах, способных обмениваться протонами. Соответственно кислотой называется соединение, способное отдавать протоны, т.е. являющееся "донором" протонов, а основанием - "акцептор" - вещество, способное присоединять протоны.

    Согласно изложенным выше представлениям катализ кислотой обусловлен переходом протона от К к исходному веществу R с образованием неустойчивого промежуточного соединения RH+, которое, распадаясь, дает конечный продукт X и регенерирует кислоту:

    R + K = RH+ + O- и RH+ + O- → X + K.

    Соответственно схема катализа основаниями имеет вид:

    RH + O- = R- + K и R- + K → X + O-.

    Кинетику таких каталитических реакций, например, с участием кислоты, можно рассматривать как последовательный, процесс, протекающий в две стадии:

    где k1, k2 и k3 - константы скоростей соответствующих реакций.

    Комплекс RH+ можно рассматривать как переходное состояние, находящееся в равновесии с исходным веществом R. На первой стадии при таком равновесии скорости прямой ω→ и обратной ω← реакций R + K ←→ RH+ → O- равны между собой, т.е. ω→ = k1cRcK = ω← = k2cRH+cO-2. Отсюда величина CRH+ = (ki/k2)cKcK/c0- и, следовательно, скорость суммарной реакции выражается уравнением:

    = k3cRH+ = k3(k1/k2)cRcK/cO-. (XIX.1)

    Таким образом, при постоянном содержании исходного вещества скорость реакции пропорциональна концентрации катализатора. Если же скорость распада промежуточного соединения RH+ с образованием X (в данном случае О-) намного больше скорости его обратного превращения в R, то между R и RН+ не может установиться равновесие. В этом случае суммарная скорость процесса определяется скоростью первой стадии (перехода протона от кислоты к R), и, поскольку концентрация кислоты К остается постоянной, должна иметь место реакция первого порядка с константой скорости k = k1[K].

    3. Гетерогенный катализ

    Как отмечалось, гетерогенный катализ широко используется в промышленности (синтез и окисление аммиака, синтез метилового спирта, переработка нефтяных продуктов).

    Реакции гетерогенного катализа представляют собой многостадийные процессы, включающие стадии внешней и внутренней диффузии в порах катализатора к поверхности зерен. Так как каталитическое превращение происходит на поверхности твердого тела, то скорости подобных реакций пропорциональны его суммарной поверхности, т.е. чем сильнее развита внутренняя поверхность, тем эффективнее действие катализатора.

    В противоположность гомогенным реакциям, скорости гетерогенных процессов зависят не от объемных концентраций, а от поверхностных концентраций реагентов.

    Согласно Определению, катализатор остается химически неизменным после завершения реакции. Однако при гетерогенном катализе, обычно протекающем при высоких температурах, неизбежно изменяется физическое состояние катализатора, прежде всего микроструктура его поверхности. Такие изменения непосредственно наблюдаются с помощью электронных микроскопов. При увеличении в 50000 раз можно, например, видеть, что зерна свежеприготовленного медно-хромового катализатора имеют сильно развитую поверхность с большим числом мелких пор. После длительной работы происходит спекание зерен этого катализатора в сплошную крупнокристаллическую массу и наблюдается потеря каталитических свойств. Кроме того, свойства твердых катализаторов могут ухудшаться из-за "отравления" их поверхности как вследствие адсорбции посторонних веществ (ядов), так и в результате протекания самой реакции. Примером действия ядов является "отравление" различными соединениями мышьяка платинового катализатора, применяемого при контактном способе производства серной кислоты.

    Уже на ранних стадиях изучения газовых реакций, происходящих на поверхности твердых тел, было найдено, что их первой стадией является адсорбция реагентов, а по завершении процесса десорбция продуктов. Поэтому при рассмотрении кинетики гетерогенных каталитических реакций используют различные изотермы адсорбции, которые позволяют определять связь между концентрациями реагирующих веществ на поверхности твердого тела и в объеме. Так, уравнение изотермы Лангмюра (гл. XV) применяют для рассмотрения кинетики мономолекулярной реакции Aг → Bг, происходящей на поверхности твердого тела. Так как обычно адсорбционное равновесие устанавливается существенно быстрее, чем протекает химическое превращение, то скорость реакции пропорциональна поверхностной концентрации газа в адсорбированном слое или, что то же, доле занятых активных центров 0 на поверхности катализатора.

    При малых давлениях и малых величинах bA в знаменателе этого уравнения можно пренебречь произведением bАрА по сравнению с единицей и реакция имеет первый порядок, т.е. -dcA/dτ = kbApA. При больших давлениях и сильной адсорбции можно пренебречь единицей по сравнению с bApA и наблюдается нулевой порядок, т.е.

    -dcA/dτ = k′ (например, при диссоциации NH3 на молибдене и вольфраме). Этот случай соответствует заполнению всех активных центров на поверхности катализатора, когда θA → 1 и, следовательно, концентрация А постоянна. Как показывают исследования, при промежуточных степенях заполнения поверхности в кинетические уравнения подобных реакций давление входит в дробных степенях, т.е.

    Если в какой-либо реакции продукт превращения также адсорбируется, то θA уменьшается и скорость реакции также должна уменьшиться. В этом случае согласно уравнению Лангмюра для одновременной адсорбции газов.

    Это означает, что адсорбция продукта реакции В замедляет процесс вследствие отравления катализатора. Такое явление наблюдается и при адсорбции посторонних газов, например, соединения мышьяка отравляют платиновые катализаторы.

    Перейдем теперь к более сложному случаю бимолекулярных реакций, в которых участвуют два газообразных вещества А и В. Здесь, очевидно, возможна адсорбция молекул двух типов на поверхности катализатора, и скорость реакции будет определяться уравнением

    При одновременной адсорбции двух газов доли поверхности-катализатора, занятые молекулами А и В,θA и θB выражаются уравнениями:

    Если оба газа относительно слабо адсорбируются, то при малых величинах pA и рB (при низких давлениях) будет наблюдаться реакция второго порядка (пренебрегаем величинами bApA и bBpB).

    Читайте также: