Страница 335 - гдз по химии 10-11 класс задачник Еремин, Дроздов

11.271. Ниже зашифрован механизм гетерогенного каталитического гидрирования этилена ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{4\left(\mathrm{г}\right)}+{\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{г}\right)}\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{г}\right)}:$

${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{4\left(\mathrm{г}\right)}+\mathbf{X}\to \mathbf{Y}$

${\mathrm{H}}_{2\left(\mathrm{г}\right)}+\mathbf{X}\to 2\mathbf{Z}$

$\mathbf{Y}+2\mathbf{Z} ⟶\mathbf{А}+\mathbf{Х}$

$\mathbf{A}\to {\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{г}\right)}+\mathbf{X}$

Установите соответствие между буквами X, Y, Z, А и участниками реакции: ${\mathrm{H}}_{\left(\mathrm{пов}\right)},$ ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{4\left(\mathrm{пов}\right)},$ ${\mathrm{C}}_2{\mathrm{H}}_{6\left(\mathrm{пов}\right)},$ W. Последняя буква обозначает активный центр на поверхности катализатора, а нижний индекс _(пов) – частицу, адсорбированную на поверхности.

Для установления соответствия проанализируем каждую стадию зашифрованного механизма гетерогенного каталитического гидрирования этилена. Общий принцип такого катализа включает адсорбцию реагентов на активных центрах катализатора, химическую реакцию на поверхности и десорбцию продуктов.

X

Частица X участвует во всех стадиях механизма: она расходуется на первых двух стадиях при адсорбции реагентов ($C_2H_4$ и $H_2$) и регенерируется на последних двух стадиях. Такое поведение характерно для активного центра катализатора, который обеспечивает протекание реакции, но не расходуется в суммарном процессе. В предложенном списке активный центр обозначен буквой W.

Ответ: W.

Y

Частица Y образуется в первой стадии в результате реакции газообразного этилена с активным центром X: $C_2H_4(г) + X \rightarrow Y$. Этот процесс представляет собой адсорбцию молекулы этилена на поверхности катализатора. Следовательно, Y — это адсорбированная на поверхности молекула этилена, то есть $C_2H_4(пов)$.

Ответ: $C_2H_4(пов)$.

Z

Частица Z образуется во второй стадии из газообразного водорода: $H_2(г) + X \rightarrow 2Z$. Из стехиометрии уравнения видно, что одна молекула водорода образует две частицы Z. Это описывает процесс диссоциативной адсорбции, при котором молекула $H_2$ разрывает связь и образует два атома водорода, связанных с поверхностью катализатора. Таким образом, Z — это адсорбированный атом водорода, $H_{(пов)}$.

Ответ: $H_{(пов)}$.

A

Частица A образуется на третьей стадии в результате взаимодействия адсорбированного этилена (Y) и двух адсорбированных атомов водорода (2Z): $Y + 2Z \rightarrow A + X$. Это стадия поверхностной реакции гидрирования. Продуктом присоединения двух атомов водорода к молекуле этилена является этан. Поскольку реакция происходит на поверхности, образуется адсорбированная молекула этана, $C_2H_6(пов)$.

Это предположение подтверждается последней стадией, $A \rightarrow C_2H_6(г) + X$, которая описывает десорбцию (переход в газовую фазу) продукта — этана.

Ответ: $C_2H_6(пов)$.

11.272. Гидрирование этилена катализируется оксидом цинка. На рисунке изображены отдельные стадии этого процесса. Расположите эти стадии в правильном порядке.

№		№
1	H — H … — O — … — Zn — … — O — …	5
2		6	${\mathrm{H}}_3\mathrm{C}—{\mathrm{CH}}_3$ … — O — … — Zn — … — O — …
3	${\mathrm{H}}_2\mathrm{C}=\mathrm{CH}2$	7
4

Решение

Процесс каталитического гидрирования этилена на оксиде цинка представляет собой многостадийный гетерогенный каталитический процесс. Он включает адсорбцию реагентов на поверхности катализатора, поверхностную реакцию между адсорбированными частицами и десорбцию продукта. Для определения правильной последовательности стадий необходимо проанализировать каждую из них с точки зрения химической логики.

Механизм реакции можно разделить на следующие ключевые этапы:

1. Адсорбция и диссоциация водорода.

   Сначала на поверхности катализатора $ZnO$ должен адсорбироваться водород.
   • Стадия 1: Молекула водорода ($H_2$) приближается к поверхности катализатора. Это начальный этап взаимодействия.
   • Стадия 2: Происходит гетеролитический разрыв связи $H-H$. Один атом водорода (как протон $H^+$) связывается с поверхностным атомом кислорода, образуя гидроксогруппу ($O-H$), а второй атом (как гидрид-ион $H^−$) оказывается вблизи иона цинка. Эта стадия является промежуточной в процессе диссоциации.
   • Стадия 7: Диссоциация завершается образованием стабильных поверхностных частиц: гидридной группы ($Zn-H$) и гидроксогруппы ($O-H$). Поверхность катализатора теперь активирована для реакции.
   Последовательность этих этапов: 1 → 2 → 7.

2. Адсорбция этилена.

   После активации поверхности водородом на нее адсорбируется второй реагент — этилен.
   • Стадия 3: Молекула этилена ($H_2C=CH_2$) приближается к активированной поверхности катализатора.
   • Стадия 5: Этилен адсорбируется на ионе цинка, образуя π-комплекс. Двойная связь этилена взаимодействует с катионом цинка. На рисунке для упрощения не показан гидрид-ион на цинке, но стрелка ясно указывает на процесс адсорбции.
   Последовательность этих этапов: 3 → 5.

3. Поверхностная реакция и десорбция продукта.

   После адсорбции обоих реагентов происходит их последовательное взаимодействие.
   • Стадия 4: Происходит первая стадия гидрирования. Адсорбированный на цинке гидрид-ион ($H^−$) атакует один из атомов углерода в молекуле этилена. В результате образуется этильная группа ($-CH_2-CH_3$), ковалентно связанная с ионом цинка. На поверхности остается гидроксогруппа.
   • Стадия 6: Происходит вторая стадия гидрирования и десорбция. Протон ($H^+$) из гидроксогруппы переносится ко второму атому углерода этильной группы. Образуется молекула конечного продукта — этана ($H_3C-CH_3$). Этан слабо связан с поверхностью и десорбируется, а катализатор регенерируется до своего первоначального состояния.
   Последовательность этих этапов: 4 → 6.

Объединяя все этапы, получаем полную последовательность стадий каталитического гидрирования этилена.

Ответ: 1 → 2 → 7 → 3 → 5 → 4 → 6.

11.273. Реакция превращения аденозинтрифосфата (АТФ) в аденозиндифосфат (АДФ):

${\mathrm{АТФ}}^4+{\mathrm{Н}}_2\mathrm{О} ⟶ {\mathrm{АДФ}}^{3-}+{\mathrm{HPO}}_4^{2-}+{\mathrm{Н}}^{+}$

может катализироваться кислотой или ферментом. Энергия активации при кислотном катализе равна 90 кДж/моль, а при ферментативном уменьшается до 44 кДж/моль. Во сколько раз скорость реакции при ферментативном катализе больше, чем при кислотном, если температура реакции равна 37 °C?

Дано:

Энергия активации при кислотном катализе, $E_{a1} = 90$ кДж/моль

Энергия активации при ферментативном катализе, $E_{a2} = 44$ кДж/моль

Температура реакции, $t = 37$ °C

Универсальная газовая постоянная, $R \approx 8.314$ Дж/(моль·К)

Найти:

Отношение скорости реакции при ферментативном катализе ($v_2$) к скорости реакции при кислотном катализе ($v_1$): $\frac{v_2}{v_1}$

Решение:

Зависимость константы скорости реакции от температуры и энергии активации описывается уравнением Аррениуса:

$k = A \cdot e^{-\frac{E_a}{RT}}$

где $k$ – константа скорости реакции, $A$ – предэкспоненциальный множитель (фактор частоты столкновений), $E_a$ – энергия активации, $R$ – универсальная газовая постоянная, $T$ – абсолютная температура.

Скорость реакции ($v$) прямо пропорциональна константе скорости ($k$), поэтому отношение скоростей равно отношению констант скоростей.

Для кислотного катализа (индекс 1):

$k_1 = A \cdot e^{-\frac{E_{a1}}{RT}}$

Для ферментативного катализа (индекс 2):

$k_2 = A \cdot e^{-\frac{E_{a2}}{RT}}$

Будем считать, что предэкспоненциальный множитель $A$ в обоих случаях одинаков, так как катализатор изменяет в первую очередь энергетический барьер реакции.

Найдем отношение скоростей:

$\frac{v_2}{v_1} = \frac{k_2}{k_1} = \frac{A \cdot e^{-\frac{E_{a2}}{RT}}}{A \cdot e^{-\frac{E_{a1}}{RT}}}$

После сокращения $A$ и преобразования выражения с экспонентами получаем:

$\frac{v_2}{v_1} = e^{-\frac{E_{a2}}{RT} + \frac{E_{a1}}{RT}} = e^{\frac{E_{a1} - E_{a2}}{RT}}$

Подставим числовые значения в систему СИ:

$\frac{v_2}{v_1} = e^{\frac{90000 \text{ Дж/моль} - 44000 \text{ Дж/моль}}{8.314 \text{ Дж/(моль·К)} \cdot 310.15 \text{ К}}}$

$\frac{v_2}{v_1} = e^{\frac{46000}{2578.8}}$

$\frac{v_2}{v_1} \approx e^{17.838}$

$\frac{v_2}{v_1} \approx 5.58 \times 10^7$

Ответ: скорость реакции при ферментативном катализе больше, чем при кислотном, примерно в $5.58 \times 10^7$ раз.