Изучение свойств катализаторов.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ БУРЯТИЯ

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ

МУНИЦИПАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КЯХТИНСКИЙ РАЙОН»

МБОУ «Унгуркуйская основная общеобразовательная школа»

КОНФЕРЕНЦИЯ « ШАГ В БУДУЩЕЕ»

ХИМИЯ

ТЕМА: «Изучение свойств катализаторов»

Выполнил: учащаяся 9 класса

Жарникова Ольга

Научный руководитель: учитель химии

Жарникова Елена Георгиевна

2010 г.

ПЛАН:

Введение

1. Схемы разложение пероксида водорода

2. Каталитическое разложение пероксида водорода, избирательность действия катализатора

3. Влияние массы катализатора на скорость реакции

4. Влияние концентрации катализатора на скорость реакции

5. Влияние природы катализатора на скорость реакции

6. Теория активированного комплекса

7. Заключение.

Литература

Приложения

Введение

Катализ – явление, заключающееся в ускорении химических реакций под влиянием веществ, которые не изменяются в результате реакции. Эти вещества-ускорители называют к а т а л и з а т о р а м и. Катализаторы активно участвуют в химическом процессе, образуя промежуточные соединения с исходными веществами, но в конечном счете вновь восстанавливаются, приобретая тот же состав, что был до реакции.

Схематически действие катализатора (К) на реакцию А+В=С можно представить так:

без катализатора: А+ В= С ;

с катализатором: А + К ---- АК (промежуточное соединение);

АК + В---- С+ К.

Человек наблюдал действие катализаторов брожения при образовании вина и уксуса из виноградного сока или действие дрожжей в хлебопечении еще в древние времена. Проблема, связанная с раскрытием явлений, лежащих в основе каталитических процессов, оказалась очень сложной, и потребовалось много лет работы ряда ученых для того, чтобы более глубоко понять явление катализа. Трудности изучения катализа, наблюдаемого в природе, объясняются тем, что природные катализаторы – ферменты имеют очень сложный состав и их нелегко выделить в чистом виде. Успехи химии ХIX в. позволили изучить каталитические реакции, в которых катализаторами служили металлы (платина, железо, серебро, медь и др.), их оксиды, сульфиды и другие соли. Катализ – очень важный раздел химии и химической технологии. На процессах катализа основаны многие важные химические производства, такие, как получение серной кислоты, аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука и ряда полимеров, синтез лекарственных препаратов, многих других необходимых для различных областей человеческой деятельности веществ. При использовании катализаторов возможно весьма существенное снижение температуры реакции (до нескольких сот градусов). Это обычно дает возможность одновременно понизить давление, что в совокупности позволяет ощутимо снизить энергетические затраты и повышает эффективность производства. Важные преимущества каталитических процессов – их хорошие экологические показатели (из-за уменьшения количества побочных продуктов, попадающих в итоге в окружающую среду) и снижение капитальных затрат вследствие многократного использования катализатора. Поэтому изучение каталитических реакций и исследование механизма действия катализаторов превосходный учебный эксперимент и объект для научных исследований в области химической кинетики.

Объект исследования-катализаторы.

Цель - на основе исследования изучить свойства катализаторов.

Задачи исследования:

1. Изучить литературу о катализе, катализаторах.

2. Выяснить влияние массы, концентрации катализатора на скорость химической реакции.

3. Выяснить влияние природы катализатора на скорость химической реакции.

4. Изучить зависимость скорости разложения пероксида водорода от активированного комплекса катализатора.

Методы исследования: 1)экспериментальные, 2)теоретические.

1. Схемы разложение пероксида водорода

Пероксид водорода Н₂О₂ широко используется в промышленности, быту и медицине. Реакция разложения пероксида водорода возможна по двум вариантам :

2. Каталитическое разложение пероксида водорода, избирательность действия катализатора

Опыт1 . Заранее готовим стеклянную палочку, на одном конце которой нанесён тонкий слой оксида марганца (IV). Для этого обмазываем конец (2-3 см) палочки клеем «Момент». Затем насыпаем на лист бумаги оксид марганца (IV) и, вращая конец палочки с клеем вокруг оси, наносим на её поверхность приблизительно однородный по толщине слой этого вещества. Даем палочке обсохнуть. Потом промываем её в воде от плохо приклеенных кусочков катализатора, подвергаем испытанию на прочность в растворе пероксида водорода и снова промываем в воде. Снова сушим и взвешиваем на весах определяя массу катализатора до реакции, масса палочки равна 8,01г. С такой палочкой можно проводить опыты многократно.

Наливаем в одну пробирку несколько миллилитров воды, во вторую 3%-го раствора пероксида водорода. Вносим в пробирки поочерёдно тлеющую лучинку и убеждаемся в том, что кислород над поверхностью воды и пероксида отсутствует, т.к. лучинка не вспыхивает. Помещаем палочку с оксидом марганца (IV) в первую пробирку и видим, что никаких признаков реакции нет. Тлеющая лучинка не вспыхивает.

Далее берем палочку с катализатором и погружаем во вторую пробирку. Наблюдаем, что на поверхности диоксида марганца моментально появляются многочисленные пузырьки газа и количество их растет в зависимости от длительности контакта. Тлеющая лучинка, введенная в отверстие пробирки, вспыхивает, что свидетельствует об образовании кислорода. Прекращение контакта пероксида водорода с катализатором ведет к прекращению выделения кислорода. Далее палочку с диоксидом марганца промываем в воде, высушиваем и взвешиваем. Масса палочки остается неизменной, т.е. равна 8,01 г.

Вывод: принимая участие в реакции, оксид марганца (IV) не изменяет своей массы, т.е. не расходуется и обладает свойством избирательности: определенное вещество является катализатором только для ограниченного круга реакций..

3. Влияние массы катализатора на скорость реакции

Опыт2 . Собираем прибор, состоящий из колбы Вюрца 1, закрытой резиновой пробкой 2 с короткой большого диаметра стеклянной трубкой 3, и колбы 5, которая соединена с колбой Вюрца с помощью резиновой трубки 4. На боковом отводе колбы Вюрца надета газоотводная резиновая трубка 6, конец которой подведен под заполненный водой и расположенный вверх дном мерный цилиндр 7 (см. Приложение 1).

В колбу Вюрца помещаем 0,01 г. оксида марганца (IV), а в колбу 5 наливаем 3%-ый раствор пероксида водорода. В колбу Вюрца из колбы 5 через трубку 4 быстро вливаем раствор пероксида водорода и определяем по секундомеру время собирания над водой 10 мл. кислорода. Затем опыт выполняем несколько раз, увеличивая навеску оксида марганца (IV) на одну и ту же небольшую величину. Полученные данные оформляем в таблицу и графически (см. Приложение 2).

Вывод: с увеличением массы катализатора увеличивается скорость химической реакции.

4. Влияние концентрации катализатора на скорость реакции

Опыт3. Готовим серию растворов дихромата калия (в качестве катализатора) с концентрацией: 5%, 7%, 10%. Далее аналогично предыдущему опыту проводим разложение пероксида водорода с использованием данного катализатора. Отмечаем время получения 10 мл. кислорода. Результаты заносим в таблицу(см. Приложение 3).

Вывод: с увеличением концентрации катализатора скорость химической реакции увеличивается.

5. Влияние природы катализатора на скорость реакции

Опыт4 . Проводим как опыт2, только в колбу Вюрца помещаем 0,02 г. оксида железа (III). Определяем по секундомеру время собирания над водой 10 мл. кислорода. Реакция идет, но значительно медленнее, чем с 0,02 г. оксида марганца (IV), в предыдущем опыте (см. Приложение 4).

Вывод: каталитическое действие оксида железа (III) слабее, чем оксида марганца (IV). Природа катализатора влияет на скорость химической реакции.

6. Теория активированного комплекса

Какова природа действия катализатора? Основная причина – в увеличении доли активных частиц. Чтобы произошла реакция, недостаточно столкновения молекул. Нужно ещё, чтобы они обладали достаточной энергией для разрыва или ослабления связей.

Модель явлений, происходящих в каталитических системах, предполагает теория активированного комплекса. В соответствии с ней катализаторы участвуют в промежуточных стадиях процесса, и благодаря их присутствию быстрее достигается тот энергетический уровень, который необходим, чтобы произошла реакция, чтобы частицы вещества стали активными. Активными называют частицы, обладающие энергией, необходимой для осуществления реакции. Активные частицы, прежде чем превратиться в конечный продукт, при столкновении друг с другом образуют промежуточную группировку, называемую активированным комплексом. Активированный комплекс – неустойчивое переходное состояние системы, в котором происходит перераспределение химических связей. В дальнейшем исходные химические связи окончательно разрушаются и образуются новые, т.е. образуются продукты реакции.

Для реакции А2 + В2 = 2АВ процесс взаимодействия графически можно изобразить так:

А В А…..В А—В

А В А…..В А—В

начальное переходное конечное

состояние состояние состояние

(реагенты) (активированный (продукты

комплекс) реакции)

Катализатор образует с реагирующими молекулами промежуточные соединения, энергия которых выше энергии исходных веществ. При достижении энергии активированного комплекса образуются продукты реакции, происходит распад промежуточных соединений катализатора и он вновь регенерируется. В этом можно убедиться, если для разложения пероксида водорода берём оранжево-желтый раствор К ₂Сr ₂О_7. Раствор приобретает красно-коричневый цвет (образование промежуточных соединений). Затем у самого дна начинается распад этих соединений и энергичное выделение кислорода. После разложения всего пероксида водорода раствор снова становится оранжево-желтым вследствие восстановления К ₂Сr ₂О_7.

Можно изобразить на графике изменение энергии химической системы в зависимости от координаты реакции в присутствии катализатора и без него (см. Приложение 5).

Теория активированного комплекса и, в частности, участие катализаторов в промежуточных стадиях взаимодействия во многих случаях доказаны экспериментально. Методом меченных атомов показано, что при использовании катализатора, содержащего необычный изотоп какого-то элемента, например О, в ходе реакции меченные атомы переходят в продукт и заменяются в катализаторе атомами из реагентов.

Таким образом, хотя видимых изменений с катализаторами не происходит, это не значит, что они не участвуют в процессах, происходящих в химических системах, и не привносят в них энергию. Следует сделать вывод, что теория активированного комплекса, имеющая экспериментальное подтверждение и не противоречащая математической модели процесса, заслуживает большего доверия, чем теория, основанная на вероятностных, механических представлениях. Энергия активированного комплекса является постоянной величиной для конкретной системы (см. Приложение 6 ).

Из таблицы видно, что биологические катализаторы (ферменты) превышают по активности неорганические катализаторы, действуя при одинаковой температуре. Каталаза, фермент крови млекопитающих, ускоряет разложение пероксида водорода на воду и кислород, что существенно при окислительно-восстановительных реакциях.

7. Заключение

Таким образом, выполнив экспериментальную и разобрав теоретическую части, можно сделать следующие выводы:

1. катализаторы существенно ускоряют скорость химической реакции;

2. количество катализатора по сравнению с количеством реагирующих веществ незначительно;

3. химический состав катализатора остаётся неизменным, но катализатор может участвовать в промежуточных процессах, выделяясь в свободном виде из промежуточных продуктов в конце реакции;

4. количество катализатора остается постоянным;

5. катализатор обладает свойством избирательности: определенное вещество является катализатором только для ограниченного круга реакций;

6. с увеличением массы и концентрации катализатора увеличивается скорость химической реакции;

7. природа катализатора влияет на скорость химической реакции, самые активные - биологические катализаторы (ферменты).

Литература:

1. Верховский В. И. Техника и методика химического эксперимента в школе. – М.: Просвещение, 1960.

2. Грабецкий А. А., Зазнобина Л. С., Назарова Т. С. Использование средств обучения на уроках химии. - М.: Просвещение, 1988.

3. Грученко Г. И., Овчинников О. Ю., Устинова Т. В. Исследовательский способ изучения свойств катализатора. // Химия в школе.- 2001. - №9.

4. Исаев Д. С. Об организации научно-исследовательской работы учащихся. // Химия в школе.- 2002. - №10.

5. Крицман В. А., Станцо В. В. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1982.

6. Морозова Е. Г. Формирование мировоззрения учащихся при изучении каталитических систем. // Химия в школе.- 2007. - №10.

1. Назарова Т. С., Грабецкий А. А., Лаврова В. Н. Химический эксперимент в школе. -.М.: Просвещение, 1987.

2. Шелинский Г. И. Основы теории химических процессов. - М.: Просвещение, 1989.

Приложения

Приложение 1

Приложение 2

Экспериментальные данные о времени выделения 10 мл кислорода, при каталитическом разложении пероксида водорода, в зависимости от массы катализатора

Приложение 3

Экспериментальные данные о времени выделения 10 мл кислорода, при каталитическом разложении пероксида водорода, в зависимости от концентрации катализатора

Приложение 4

Экспериментальные данные о времени выделения 10 мл кислорода, при каталитическом разложении пероксида водорода, в зависимости от природы катализатора

Приложение 5

Влияние катализатора на изменение энергии химической системы

Е (исх.) – энергия исходных веществ, Е (пр.) – энергия продуктов реакции, Е_к – энергия химической системы в присутствии катализатора, Е (а.к.) – энергия активированного комплекса; t – продолжительность процесса.

Приложение 6

Энергия активированного комплекса каталитического и некаталитического разложения пероксида водорода

Рецензия

на исследовательскую работу ученицы 9-го класса

Жарниковой Ольги.

Тема: «Изучение свойств катализаторов»

В современных условиях общество предъявляет высокие требования не только к уровню знаний, но и к умению работать самостоятельно. Один из возможных способов достижения этой цели - учебно-исследовательская деятельность детей. В ходе её происходит формирование целостного мировоззрения. На примере изучения каталитических систем учащиеся могут увидеть энергетическое единство и взаимосвязанность всех явлений в мироздании и убедиться в практической значимости изучения химии.

Современное исследование должно способствовать интеллектуальному развитию учащихся. Учащиеся учатся основам научного эксперимента, определению целей и задач работы, выбору метода изучения данной темы, обобщению полученных результатов. Выбор данной темы сделан потому, что изучение явления катализа, в курсе школьной программы, происходит поверхностно. Исследовательская деятельность даёт возможность выйти за рамки урока и изучить материал более углублено. Тем более, что применение катализаторов в современных технологических процессах получило очень широкое применение, а поиск наиболее эффективных катализаторов является перспективным направлением в области химической кинетики. Актуальность и суть исследуемой проблемы просматривается в работе Жарниковой Ольги на тему: «Изучение свойств катализаторов». Пероксид водорода весьма удобный объект для иллюстрации каталитического процесса, изучения влияния различных катализаторов на скорость химических реакций. Измерение объёма кислорода, выделяющегося при разложении пероксида водорода, позволяет проводить этот опыт количественно, притом с достаточной степенью точности. Поэтому каталитическое разложение пероксида водорода превосходный учебный эксперимент для средней и высшей школы. Материал изложен доступно и интересно, показана эрудиция, широта и глубина знаний по проделанной работе, все выводы обоснованны на основе эксперимента. Исследовательская работа оценена на «отлично», признана результативной и эффективной. Свойства катализатора изучены углубленно. Хорошо изучена теоретическая и проделана практическая части по теме.

Руководитель: /Жарникова Е. Г./