Номер 2, страница 157 - гдз по химии 11 класс учебник Габриелян, Остроумов

Глава 4. Закономерности протекания химических реакций и физико-химических процессов. Параграф 22. Катализ и катализаторы - номер 2, страница 157.

Условие.

2. Каковы возможные механизмы действия катализаторов? Приведите примеры каталитических процессов в неорганической и органической химии.

Решение.

Решение 2.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, участвуя в ней, но оставаясь неизменными по ее завершении. Основная функция катализатора заключается в предоставлении альтернативного пути реакции с более низкой энергией активации ($E_a$), что приводит к увеличению скорости реакции.

Каковы возможные механизмы действия катализаторов?

Механизм действия катализатора зависит от его типа и фазового состояния реагентов. Различают гомогенный, гетерогенный и ферментативный катализ.

• Гомогенный катализ: Катализатор и реагенты находятся в одной фазе (например, все в растворе или в газовой фазе). Механизм, как правило, включает образование промежуточных активных соединений. Катализатор (К) реагирует с одним из исходных веществ (А), образуя промежуточное соединение (АК), которое затем реагирует со вторым реагентом (В), образуя конечный продукт (Р) и регенерируя катализатор.
  Схематично это можно представить так:
  1. $A + K \rightarrow AK$
  2. $AK + B \rightarrow P + K$
  Суммарная реакция: $A + B \rightarrow P$.
  Каждая из этих стадий имеет более низкую энергию активации, чем прямая реакция между А и В.
• Гетерогенный катализ: Катализатор и реагенты находятся в разных фазах (чаще всего твердый катализатор и газообразные/жидкие реагенты). Реакция протекает на поверхности катализатора, на так называемых активных центрах. Механизм включает несколько стадий:
  1. Диффузия реагентов к поверхности катализатора.
  2. Адсорбция (поглощение) реагентов на активных центрах. При этом химические связи в молекулах реагентов ослабевают или разрываются.
  3. Химическая реакция между адсорбированными частицами на поверхности.
  4. Десорбция (высвобождение) продуктов с поверхности катализатора.
  5. Диффузия продуктов от поверхности.
  Эффективность гетерогенного катализатора сильно зависит от площади его поверхности.
• Ферментативный катализ: Катализаторами выступают ферменты — белковые молекулы, действующие в живых организмах. Этот вид катализа можно рассматривать как частный случай гомогенного катализа. Механизм основан на высокой специфичности фермента (Е) к определенному веществу — субстрату (S). Происходит образование фермент-субстратного комплекса (ES), в котором субстрат претерпевает превращение в продукт (Р), после чего продукт отделяется, а фермент регенерируется.
  $E + S \rightleftharpoons ES \rightarrow E + P$
  Активный центр фермента имеет уникальную пространственную структуру, которая комплементарна структуре субстрата (модель «ключ-замок» или «индуцированного соответствия»), что обеспечивает высокую селективность реакции.

Ответ: Основные механизмы действия катализаторов — это гомогенный, гетерогенный и ферментативный. В гомогенном катализе катализатор образует с реагентами промежуточные соединения, снижая энергию активации. В гетерогенном катализе реакция происходит на поверхности катализатора через стадии адсорбции, поверхностной реакции и десорбции. Ферментативный катализ осуществляется через образование специфического фермент-субстратного комплекса.

Приведите примеры каталитических процессов в неорганической и органической химии.

Примеры в неорганической химии:

• Синтез аммиака (процесс Габера-Боша): Производство аммиака из азота и водорода.
  Катализатор: пористое железо ($\text{Fe}$) с добавками оксидов калия и алюминия ($K_2O, Al_2O_3$).
  Реакция: $N_2(г) + 3H_2(г) \rightleftharpoons 2NH_3(г)$
  Тип катализа: гетерогенный.
• Окисление $SO_2$ в $SO_3$ (контактный способ производства серной кислоты):
  Катализатор: оксид ванадия(V) ($V_2O_5$).
  Реакция: $2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г)$
  Тип катализа: гетерогенный.
• Разложение пероксида водорода:
  Катализатор: оксид марганца(IV) ($MnO_2$) или иодид-ионы ($I^-$) в растворе.
  Реакция: $2H_2O_2(р-р) \xrightarrow{MnO_2} 2H_2O(ж) + O_2(г)$
  Тип катализа: гетерогенный (с $MnO_2$) или гомогенный (с $I^-$).

Примеры в органической химии:

• Гидрирование ненасыщенных углеводородов: Например, превращение этена в этан.
  Катализатор: мелкодисперсные металлы, такие как никель ($\text{Ni}$), платина ($\text{Pt}$) или палладий ($\text{Pd}$).
  Реакция: $CH_2=CH_2(г) + H_2(г) \xrightarrow{Ni, t^{\circ}} CH_3-CH_3(г)$
  Тип катализа: гетерогенный.
• Этерификация: Получение сложных эфиров из карбоновых кислот и спиртов.
  Катализатор: сильная кислота (например, концентрированная $H_2SO_4$).
  Реакция: $CH_3COOH + C_2H_5OH \xrightarrow{H^+} CH_3COOC_2H_5 + H_2O$
  Тип катализа: гомогенный кислотный катализ.
• Спиртовое брожение глюкозы:
  Катализатор: ферменты (зимазный комплекс), вырабатываемые дрожжами.
  Реакция: $C_6H_{12}O_6 \xrightarrow{ферменты} 2C_2H_5OH + 2CO_2(г)$
  Тип катализа: ферментативный.

Ответ: Примерами каталитических процессов в неорганической химии являются синтез аммиака (катализатор $\text{Fe}$), окисление $SO_2$ в $SO_3$ (катализатор $V_2O_5$) и разложение $H_2O_2$ (катализатор $MnO_2$). В органической химии примерами служат гидрирование алкенов (катализаторы $Ni, Pt, Pd$), этерификация (катализатор $H_2SO_4$) и спиртовое брожение (ферменты).