Катализ и катализаторы

Катализ и катализаторы.

Катализ - химическое явление, суть которого заключается в изменении скоростей химических реакций при действии некоторых веществ (их называют катализаторами).

Каталитические реакции весьма распространены в химии и некоторые из них  можно провести даже в домашних условиях. Например, 3%-ный раствор перекиси водорода (именно такой продают в аптеках) вполне устойчив в отсутствие примесей. Но при добавлении очень небольшого количества (нескольких крупинок) твердого диоксида марганца MnO2 начинается реакция разложения Н2О2 с выделением газообразного кислорода:

Здесь MnO2 - катализатор  реакции. Можно заметить, что в  химическом уравнении катализатор  не присутствует среди реагентов  или продуктов, его не нужно учитывать  и при уравнивании реакции. Поэтому  обычно катализатор в уравнении  указывают над стрелкой. Если у  вас под рукой нет диоксида марганца, его вполне можно заменить двумя-тремя крупинками марганцовки  из домашней аптечки: KMnO4 при действии Н2О2 быстро превратится в MnO2 (полезно  написать уравнение этой реакции). Дальше полученный катализатор, вне зависимости  от его количества, будет работать до тех пор, пока не закончится весь реагент - перекись водорода. Этот опыт можно проводить дома только с  разбавленным (аптечным) раствором  перекиси водорода. С концентрированным  раствором реакция идет очень  бурно. Диоксид марганца - не единственный катализатор реакции разложения перекиси водорода. Биологические катализаторы (ферменты), содержащиеся в крови, действуют  так же. Именно поэтому слабый раствор  перекиси водорода, нанесенный на царапину, начинает пузыриться (выделяющийся при  этом кислород дезинфицирует ранку).

Другой домашний опыт - каталитическое окисление сахарозы кислородом воздуха. Обычный кусковой сахар или сахар-рафинад представляет собой практически чистую сахарозу С12Н22О11. Кусочек сахара не удается  поджечь на открытом огне - он плавится, но не загорается. Но если сахар «испачкать»  катализатором - табачным пеплом - его  удается поджечь.

Этот опыт иногда показывают как фокус - кусочек  сахара «случайно» роняют в пепельницу, а затем поджигают. Предполагают (хотя это не установлено точно), что катализатором реакции окисления  сахарозы служат соединения цезия, в  очень небольшом количестве присутствующие в пепле от сигарет.

Удивительным  в явлении катализа является то обстоятельство, что катализаторы, активно участвуя в реакции, сами в итоге не изменяются. Другими словами, катализаторы не расходуются  в ходе химической реакции. Поскольку  катализатор способен многократно  участвовать в промежуточных  химических взаимодействиях с реагентами, его часто берут в небольшом  количестве - значительно меньшем по сравнению с реагентами.

В качестве катализаторов часто выступают  обычные кислоты, основания, оксиды металлов или сами металлы. Но бывают и сложные катализаторы, поиск  и приготовление которых требуют большого труда.

Различают положительный катализ (ускорение реакций) и отрицательный катализ (замедление реакций). Обычно термин «катализ» относят именно к положительному катализу, а отрицательный называют ингибированием. Соответственно «отрицательные катализаторы» называются ингибиторами. Например, в качестве ингибитора реакции разложения перекиси водорода используют очень небольшую (1 : 10000) добавку пирофосфата натрия Na4P2O7. Его роль заключается в связывании следов примесей, которые являются хорошими катализаторами реакции разложения перекиси водорода - соединений Cu, Mn и некоторых других тяжелых металлов.

Катализаторами называются вещества, способные ускорять химические реакции, сами оставаясь при этом неизменными.

Еще одно важное свойство катализаторов заключается  в способности повышать избирательность  протекания реакций. Если какие-то реагенты могут реагировать между собой  по разным направлениям (то есть давать несколько различных продуктов), то с участием катализаторов во многих случаях образуется только какой-то один продукт реакции. Избирательное  протекание реакции называется селективностью. Таким образом, главные полезные свойства катализаторов заключаются  в повышении скорости и селективности  химических реакций.