Номер 1, страница 70 - гдз по химии 11 класс учебник Рудзитис, Фельдман

Подумайте, ответьте, выполните.... Параграф 14. Катализ. Глава III. Химические реакции - номер 1, страница 70.

Условие.

1. Почему катализаторы увеличивают скорость химических реакций? Приведите конкретные примеры.

Решение.

Решение 2.

Катализаторы — это вещества, которые увеличивают скорость химической реакции, но сами при этом не расходуются. Их действие основано на фундаментальном принципе химической кинетики: они изменяют механизм реакции, предоставляя альтернативный путь с более низкой энергией активации ($E_a$).

Энергия активации — это минимальное количество энергии, которое необходимо сообщить реагирующим частицам (молекулам, атомам, ионам), чтобы их столкновение привело к химическому превращению. Можно представить это как энергетический барьер, который нужно преодолеть, чтобы попасть из состояния реагентов в состояние продуктов. Катализатор, по сути, "прокладывает" обходной путь с более низким барьером. Поскольку для прохождения этого нового пути требуется меньше энергии, гораздо большее число молекул в системе обладает достаточной энергией для вступления в реакцию в единицу времени, что и приводит к увеличению общей скорости.

Математически связь между скоростью реакции и энергией активации описывается уравнением Аррениуса для константы скорости реакции $k$: $k = A \cdot e^{-E_a/(RT)}$, где $A$ — предэкспоненциальный множитель (отражает частоту столкновений), $R$ — универсальная газовая постоянная, а $T$ — абсолютная температура. Из формулы видно, что снижение энергии активации $E_a$ в показателе степени приводит к экспоненциальному росту константы скорости $k$, а следовательно, и самой скорости реакции.

Важно отметить, что катализатор принимает непосредственное участие в реакции, образуя с реагентами промежуточные, менее стабильные соединения. Однако на заключительных стадиях реакции он высвобождается в своем первоначальном химическом виде и количестве. Таким образом, катализатор не смещает химическое равновесие, а лишь ускоряет его достижение, так как в равной степени ускоряет и прямую, и обратную реакции.

Конкретные примеры:

1. Разложение пероксида водорода
Реакция разложения пероксида водорода ($H_2O_2$) на воду и кислород ($2H_2O_2 \rightarrow 2H_2O + O_2 \uparrow$) в обычных условиях протекает очень медленно. Однако при добавлении катализатора, например, диоксида марганца ($MnO_2$), реакция мгновенно ускоряется, что сопровождается бурным выделением кислорода. $MnO_2$ предоставляет свою поверхность для протекания реакции по новому механизму с пониженной энергией активации.

2. Промышленный синтез аммиака (процесс Габера-Боша)
Синтез аммиака из атмосферного азота и водорода ($N_2 + 3H_2 \rightleftharpoons 2NH_3$) — ключевой процесс в производстве азотных удобрений. Без катализатора эта реакция требует чрезвычайно высоких температур и давлений. Использование катализатора на основе железа ($Fe$) с промоторами ($K_2O, Al_2O_3$) позволяет проводить процесс при более низких температурах (около 400–500 °C) и давлениях, что делает его экономически целесообразным. Катализатор ослабляет прочную тройную связь в молекуле азота, значительно снижая энергию активации.

3. Каталитические нейтрализаторы в автомобилях
В выхлопных газах автомобилей содержатся токсичные соединения: угарный газ ($CO$), оксиды азота ($NO_x$) и несгоревшие углеводороды. Каталитический нейтрализатор содержит нанесенные на керамическую основу драгоценные металлы (платину $Pt$, палладий $Pd$ и родий $Rh$), которые катализируют превращение этих веществ в менее вредные: $CO$ окисляется до $CO_2$, углеводороды — до $CO_2$ и $H_2O$, а $NO_x$ восстанавливаются до $N_2$.

4. Ферментативный катализ в живых организмах
Ферменты — это биологические катализаторы, как правило, белковой природы, которые ускоряют биохимические реакции в клетках в миллионы раз. Например, фермент каталаза, присутствующий в клетках животных и растений, защищает их от токсичного побочного продукта метаболизма — пероксида водорода. Каталаза эффективно катализирует его разложение на воду и кислород: $2H_2O_2 \xrightarrow{\text{каталаза}} 2H_2O + O_2$.

Ответ: Катализаторы увеличивают скорость химических реакций, так как они изменяют механизм реакции, предоставляя альтернативный путь с более низкой энергией активации ($E_a$). Это позволяет большему числу реагирующих частиц преодолевать энергетический барьер в единицу времени, что приводит к росту скорости. Катализатор участвует в промежуточных стадиях реакции, но в конце полностью регенерируется. Примерами каталитических процессов являются разложение $H_2O_2$ в присутствии $MnO_2$, синтез аммиака с использованием железного катализатора, нейтрализация выхлопных газов в автомобилях и действие ферментов (например, каталазы) в живых организмах.