Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

29.8: Каталізатор впливає на механізм та енергію активації

  • Page ID
    26702
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    Як видно з рівняння Арренія, величина енергії активації визначає значення константи швидкості\(k\), при заданій температурі і, отже, загальну швидкість реакції.\(E_a\) Каталізатори забезпечують засіб зниження\(E_a\) і збільшення швидкості реакції. Каталізатори визначаються як речовини, які беруть участь у хімічній реакції, але не змінюються і не споживаються. Натомість вони забезпечують новий механізм реакції, яка має меншу енергію активації, ніж реакція без каталізатора.

    Рисунок Template:index: Порівняння енергетичних профілів з присутнім каталізатором і без нього.

    Гомогенний каталіз відноситься до реакцій, в яких каталізатор знаходиться в розчині принаймні з одним з реагентів, тоді як гетерогенний каталіз відноситься до реакцій, в яких каталізатор присутній в іншій фазі, як правило, у вигляді твердої речовини, ніж реагенти. На малюнку Template:index показано порівняння енергетичних профілів реакції за відсутності та наявності каталізатора.

    Розглянемо некаталізовану елементарну реакцію

    \[\text{A} \overset{k}{\longrightarrow} \text{P} \nonumber \]

    який протікає зі\(k\) швидкістю при певній температурі. Швидкість реакції може виражатися у вигляді

    \[\dfrac{d \left[ \text{A} \right]}{dt} = -k \left[ \text{A} \right] \nonumber \]

    При наявності каталізатора\(\text{C}\) ми можемо записати реакцію як

    \[\text{A} + \text{C} \overset{k_\text{cat}}{\longrightarrow} \text{P} + \text{C} \nonumber \]

    і швидкість реакції як

    \[\dfrac{d \left[ \text{A} \right]}{dt} = -k \left[ \text{A} \right] - k_\text{cat} \left[ \text{A} \right] \left[ \text{C} \right] \nonumber \]

    де перший член представляє некаталізовану реакцію, а другий - каталізовану реакцію. Оскільки швидкість реакції каталізованої реакції часто перевищує величину некаталізованої реакції (тобто\(k_\text{cat} \gg k\)), перший термін часто можна ігнорувати.

    Приклад гомогенного каталізу: кислотний каталіз

    Поширеним прикладом однорідних каталізаторів є кислоти і основи. Наприклад, з огляду на загальну реакцію є\(\text{S} \rightarrow \text{P}\). \(k\)Якщо ставка, то

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = k \left[ \text{S} \right] \nonumber \]

    Призначення ферменту - підвищення швидкості виробництва продукту\(\text{P}\). Рівняння кислотно-каталізованої реакції

    \[\begin{align} \text{S} + \text{A}H &\overset{k_1}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} \text{S}H^+ + \text{A}^- \\ \text{S}H^+ + H_2 O &\overset{k_2}{\rightarrow} \text{P} + H_3 O^+ \\ H_3 O^+ + \text{A}^- &\overset{k_3}{\underset{k_{-3}}{\rightleftharpoons}} \text{A}H + H_2 O \end{align} \nonumber \]

    Повний набір кінетичних рівнянь

    \[\begin{align} \dfrac{d \left[ \text{S} \right]}{dt} &= -k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] + k_{-1} \left[ \text{S} H^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] \\ \dfrac{ d \left[ \text{A} H \right]}{dt} &= -k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] + k_{-1} \left[ \text{S} H^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] - k_{-3} \left[ \text{A} H \right] + k_3 \left[ H_3 O^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] \\ \dfrac{d \left[ \text{S} H^+ \right]}{dt} &= k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] - k_{-1} \left[ \text{S} H^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] - k_2 \left[ \text{S} H^+ \right] \\ \dfrac{d \left[ \text{A}^- \right]}{dt} &= k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] - k_{-1} \left[ \text{S} H^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] -k_2 \left[ \text{A}^- \right] \left[ H_3 O^+ \right] + k_{-3} \left[ \text{A} H \right] \\ \dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} &= k_2 \left[ \text{S} H^+ \right] \\ \dfrac{d \left[ H_3 O^+ \right]}{dt} &= -k_2 \left[ \text{S} H^+ \right] - k_3 \left[ H_3 O^+ \right] \left[ \text{A}^- \right] + k_{-3} \left[ \text{A} H \right] \end{align} \nonumber \]

    Ми не можемо легко їх вирішити, оскільки вони нелінійні. Однак розглянемо два випадки\(k_2 \gg k_{-1} \left[ \text{A}^- \right]\) і\(k_2 \ll k_{-1} \left[ \text{A}^- \right]\). В обох випадках\(\text{S} H^+\) споживається швидко, і ми можемо застосувати стале наближення:

    \[\dfrac{d \left[ \text{S} H^+ \right]}{dt} = k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] - k_{-1} \left[ \text{A}^- \right] \left[ \text{S} H^+ \right] - k_2 \left[ \text{S} H^+ \right] = 0 \nonumber \]

    Перестановка в плані\(\text{S} H^+\) врожайності

    \[\left[ \text{S} H^+ \right] = \dfrac{k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right]}{k_{-1} \left[ \text{A}^- \right] + k_2} \nonumber \]

    і швидкість виробництва\(\text{P}\) може бути записана як

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = k_2 \left[ \text{S} H^+ \right] = \dfrac{k_1 k_2 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right]}{k_{-1} \left[ \text{A}^- \right] + k_2} \nonumber \]

    У разі\(k_2 \gg k_{-1} \left[ \text{A}^- \right]\), коли, Рівняння 29.8.17 можна записати як

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = k_1 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right] \nonumber \]

    який відомий як загальна кислотно-каталізована реакція. З іншого боку, якщо\(k_2 \ll k_{-1} \left[ \text{A}^- \right]\), ми можемо використовувати рівноважне наближення, щоб записати швидкість виробництва\(\text{P}\) як

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = \dfrac{k_1 k_2 \left[ \text{S} \right] \left[ \text{A} H \right]}{k_{-1} \left[ \text{A}^- \right]} = \dfrac{k_1 k_2}{k_{-1} K} \left[ \text{S} \right] \left[ H^+ \right] \nonumber \]

    де\(K\) константа дисоціації кислоти:

    \[K = \dfrac{ \left[ \text{A}^- \right] \left[ H^+ \right]}{\left[ \text{A} H \right]} \nonumber \]

    В даному випадку реакція каталізується іоном водню.

    Приклад гетерогенного каталізу: поверхневий каталіз газофазних реакцій

    Багато газофазних реакцій каталізуються на твердій поверхні. Для одномолекулярної реакції першого порядку механізм реакції можна записати як

    \[\text{A} \left( g \right) + \text{S} \left( s \right) \overset{k_1}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} \text{AS} \left( s \right) \nonumber \]

    \[\text{AS} \left( s \right) \overset{k_2}{\rightarrow} \text{P} \left( g \right) + \text{S} \left( g \right) \nonumber \]

    де першим кроком є оборотна адсорбція молекули газу\(\text{A}\), на активні ділянки на поверхні каталізатора\(\text{S}\), щоб сформувати перехідний стан\(\text{AS}\), а другий крок - перетворення адсорбованих\(\text{A}\) молекул в види\(\text{P}\). Застосовуючи стаціонарне наближення до видів\(\text{AS}\), ми можемо записати

    \[\dfrac{d \left[ \text{AS} \right]}{dt} = k_1 \left[ \text{A} \right] \left[ \text{S} \right] - k_{-1} \left[ \text{AS} \right]_{ss} - k_2 \left[ \text{AS} \right]_{ss} = 0 \nonumber \]

    Оскільки концентрація загальних активних ділянок на поверхні каталізатора фіксується при\(\left[ \text{S} \right]_0\), концентрація адсорбованих видів на поверхні каталізатора\(\left[ \text{AS} \right]\) може бути записана як

    \[\left[ \text{AS} \right] = \theta \left[ \text{S} \right]_0 \nonumber \]

    і\(\left[ \text{S} \right]\) can be written as

    \[\left[ \text{S} \right] = \left( 1 - \theta \right) \left[ \text{S} \right]_0 \nonumber \]

    де\(\theta\) is the fractional surface coverage of species \(\text{A}\) on the catalyst surface. We can now write Equation 29.8.23 as

    \[k_1 \left[ \text{A} \right] \left( 1 - \theta \right) \left[ \text{S} \right]_0 - \left( k_{-1} + k_2 \right) \theta \left[ \text{S} \right]_0 = 0 \nonumber \]

    Перестановка вищевказаного рівняння через\(\theta\) yields

    \[\theta = \dfrac{k_1 \left[ \text{A} \right]}{k_1 \left[ \text{A} \right] + k_{-1} + k_2} \nonumber \]

    Темп виробництва\(\text{P}\) can be written as

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = k_2 \left[ \text{AS} \right]_{ss} = k_2 \theta \left[ \text{S} \right]_0 = \dfrac{k_1 k_2}{k_1 \left[ \text{A} \right] + k_{-1} + k_2} \left[ \text{A} \right] \left[ \text{S} \right]_0 \nonumber \]

    З наведеного вище рівняння ми можемо спостерігати важливість наявності високих площ поверхні для каталітичних реакцій.

    Рисунок Template:index: Ілюстрації механізмів Ленгмюра-Гіншелвуда та Елея-Ріделя для гетерогенного каталізу бімолекулярних газофазних реакцій.

    Для бімолекулярних газофазних реакцій двома загальновикористовуваними механізмами пояснення кінетики реакцій є механізми Ленгмюра-Гіншелвуда та Елея-Рідеала, показані на малюнку Template:index. У механізмі Ленгмюра-Хіншелвуда,\(\text{A}\) and \(\text{B}\) both adsorb onto the catalyst surface, at which they react to form a product. The reaction mechanism is

    \[\text{A} \left( g \right) + \text{S} \left( s \right) \overset{k_1}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} \text{AS} \left( s \right) \nonumber \]

    \[\text{B} \left( g \right) + \text{S} \left( s \right) \overset{k_2}{\underset{k_{-2}}{\rightleftharpoons}} \text{BS} \left( s \right) \nonumber \]

    \[\text{AS} \left( s \right) + \text{BS} \left( s \right) \overset{k_3}{\rightarrow} \text{P} \nonumber \]

    Закон швидкості для механізму Ленгмюра-Гіншелвуда можна вивести аналогічно тому, що для одномолекулярних каталітичних реакцій, припускаючи, що загальна кількість активних ділянок на поверхні каталізатора фіксована. У механізмі Eley-Rideal на поверхні каталізатора адсорбується лише один вид. Прикладом такої реакції є часткове окислення етилену в оксид етилену, як показано на малюнку Template:index. У цій реакції двоатомний кисень адсорбується на каталітичній поверхні, де він реагує з молекулами етилену в газовій фазі.

    Реакції для механізму Елея-Рідеала можна записати як

    \[\text{A} \left( g \right) + \text{S} \left( s \right) \overset{k_1}{\underset{k_{-1}}{\rightleftharpoons}} \text{AS} \left( s \right) \nonumber \]

    \[\text{AS} \left( s \right) + \text{B} \left( g \right) \overset{k_2}{\rightarrow} \text{P} \left( g \right) + \text{S} \left( s \right) \nonumber \]

    Рисунок Template:index: Ілюстрації механізму реакції часткового окислення етилену до оксиду етилену. [Відтворено з Кілті, Пенсильванія та WMH Сактлер. Катал. Обр., 10, 1]

    Припускаючи, що\(k_{-1} \gg k_1\), we can apply a steady-state approximation to species \(\text{AS}\):

    \[\dfrac{d \left[ \text{AS} \right]}{dt} = 0 = k_1 \left[ \text{A} \right] \left[ \text{S} \right] - k_{-1} \left[ \text{AS} \right]_{ss} - k_2 \left[ \text{AS} \right]_{ss} \left[ \text{B} \right] \nonumber \]

    Як і у випадку одномолекулярних каталізованих реакцій, ми можемо висловити концентрації\(\text{AS}\) and \(\text{S}\) in terms of a fraction of the total number of active sites, \(\text{S}_0\) and rewrite the above equation as

    \[0 = k_1 \left[ \text{A} \right] \left( 1 - \theta \right) \left[ \text{S} \right]_0 - k_{-1} \left[ \text{S} \right]_0 - k_2 \theta \left[ \text{S} \right]_0 \left[ \text{B} \right] \nonumber \]

    Рішення для\(\theta\) yields

    \[\theta = \dfrac{k_1 \left[ \text{A} \right]}{k_1 \left[ \text{A} \right] + k_{-1} + k_2 \left[ \text{B} \right]} \nonumber \]

    Крім того, якщо\(k_2 \ll k_1\) and \(k_{-1}\), we can simplify \(\theta\) to

    \[\theta = \dfrac{k_1 \left[ \text{A} \right]}{k_1 \left[ \text{A} \right] + k_{-1}} \nonumber \]

    Темп виробництва\(\text{P}\) can be expressed as

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = k_2 \left[ \text{AS} \right]_{ss} \left[ \text{B} \right] = k_2 \theta \left[ \text{S} \right]_0 \left[ \text{B} \right] = \dfrac{k_1 k_2 \left[ \text{A} \right]}{k_1 \left[ \text{A} \right] + k_{-1}} \left[ \text{S} \right]_0 \left[ \text{B} \right] \nonumber \]

    Ми також можемо записати вищевказаний вираз з точки зору константи рівноваги,\(K\), which is equal to\(k_1/k_{-1}\)

    \[\dfrac{d \left[ \text{P} \right]}{dt} = K k_2 \left[ \text{B} \right] \dfrac{K \left[ \text{A} \right]}{K \left[ \text{A} \right] + 1} \nonumber \]

    Дописувачі та атрибуція