Номер 2, страница 298 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 63. Катализ. Катализаторы. Глава 6. Теоретическое описание химических реакций - номер 2, страница 298.

Условие.

2. Какими свойствами должны обладать катализаторы?

Решение.

Решение 2.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, как правило, ускоряя её, но сами при этом количественно и качественно не изменяются после завершения цикла превращений. Чтобы быть эффективными, особенно в промышленном масштабе, катализаторы должны обладать комплексом определённых свойств.

• Активность

  Это основное свойство, характеризующее способность катализатора ускорять химическую реакцию. Активность измеряется количеством вещества, вступающего в реакцию за единицу времени с единицы поверхности или массы катализатора. Высокая активность позволяет проводить процессы при более мягких условиях (низких температурах и давлениях), что значительно снижает энергозатраты и стоимость производства.

• Селективность (избирательность)

  Это способность катализатора преимущественно ускорять одну из нескольких возможных параллельных реакций. В сложных химических процессах из одних и тех же исходных веществ могут образовываться разные продукты. Селективный катализатор направляет реакцию по нужному пути, увеличивая выход целевого продукта и минимизируя образование побочных. Это упрощает последующую очистку и повышает экономическую эффективность процесса. Селективность $S$ по целевому продукту $C$ можно выразить как отношение количества исходного реагента, превратившегося в продукт $C$, ко всему количеству прореагировавшего реагента: $S_C = \frac{\Delta n_C}{\Delta n_{total}} \cdot 100\%$.

• Стабильность (устойчивость)

  Это способность катализатора сохранять свою активность и селективность в течение длительного времени эксплуатации. Катализаторы подвержены дезактивации (потере активности) по разным причинам: отравление каталитическими ядами (например, соединениями серы), закоксовывание (покрытие поверхности углеродистыми отложениями), спекание (уменьшение активной поверхности из-за высоких температур) или механическое разрушение. Стабильный катализатор имеет долгий срок службы, что снижает частоту его замены.

• Способность к регенерации

  Многие катализаторы, потерявшие активность, можно восстановить. Регенерация — это процесс возвращения катализатору его первоначальных свойств (например, выжигом кокса). Возможность многократной регенерации является важным экономическим преимуществом, так как позволяет повторно использовать дорогостоящие каталитические системы.

• Развитая удельная поверхность

  Для гетерогенных катализаторов (когда катализатор и реагенты находятся в разных фазах, например, твёрдое-газ) реакция происходит на поверхности. Чем больше площадь этой поверхности на единицу массы катализатора (удельная поверхность), тем больше активных центров доступно для реагентов и тем выше скорость реакции. Для этого катализаторы часто изготавливают в виде пористых гранул или наносят на инертный носитель с высокой удельной поверхностью (например, оксид алюминия, силикагель).

• Физико-химические и механические свойства

  Катализатор должен обладать достаточной механической прочностью, чтобы не разрушаться в промышленных реакторах. Также важны термостойкость и теплопроводность для контроля температуры в ходе экзо- или эндотермических реакций. Он должен быть химически инертен по отношению к среде, кроме целевого каталитического действия.

• Экономическая эффективность

  Стоимость катализатора, включая его производство, использование, регенерацию и утилизацию, должна быть экономически оправданной. Часто приходится искать компромисс между высокой эффективностью (которую обеспечивают, например, дорогие благородные металлы) и доступной ценой.

Ответ: Катализаторы должны обладать высокой активностью (способностью ускорять реакцию), селективностью (избирательно ускорять нужную реакцию), стабильностью (сохранять свои свойства со временем), способностью к регенерации, развитой удельной поверхностью (для гетерогенных катализаторов), а также соответствующими механическими, термическими и экономическими характеристиками.