Opracowanie pochodzi ze strony www.materiaienergia.pisz.pl Zeskakuj telefonem kod QR i odwiedź nas w Internecie Fascynujący świat chemii Szybkość reakcji chemicznych i katalizatory Wstęp Celem prowadzenia reakcji chemicznych jest zmiana budowy cząsteczek i przekształcanie jednych substancji w inne. W zależności od rodzaju cząsteczek i budowy pożądanego produktu reakcje chemiczne mogą zachodzić z różną prędkością. Niektóre reakcje chemiczne, na przykład związane ze zmianami ph, zachodzą bardzo łatwo. Aby zainicjować większość reakcji chemicznych trzeba dostarczyć im energii. Bez tej początkowej, często niewielkiej porcji energii reakcja chemiczna nie rozpocznie się i nie będzie przebiegać. Aby zminimalizować początkowy wkład energetyczny stosuje się substancje zwane katalizatorami. Rys. Do rozpoczęcia reakcji chemicznej potrzebna jest energia. Źródło: blog.onet.pl, tartaklanga.pl i smcloud.net
Katalizatory nie tylko ułatwia rozpoczęcie reakcji chemicznej ale umożliwia także prowadzenie jej w łagodniejszych warunkach, czyli na przykład niższej temperaturze. Dzięki takim rozwiązaniom reakcja chemiczna nie tylko przebiega sprawniej, ale jest też łatwiejsza do opanowania. Katalizatory maja również inną, niezwykle ważną cechę - nie zużywają się w czasie reakcji. Połączenie właściwości ułatwiania reakcji chemicznych i możliwości wielokrotnego użycia czyni katalizatory jednymi z najcenniejszych narzędzi współczesnego przemysłu chemicznego. Rys. Katalizator samochodowy i przemysłowy działa na tych samych zasadach. Źródło: webcars.com i indianyellowpages.com W życiu codziennym katalizator najczęściej kojarzy się z urządzeniem służącym do oczyszczania spalin samochodowych. Dzięki zachodzącym tam reakcjom chemicznym szkodliwe produkty spalania paliwa (tlenek węgla i tlenki azotu) są przekształcane na związki całkowicie nieszkodliwe (dwutlenek węgla, azot i wodę). W zależności od potrzeb chemicy stosują różne rodzaje katalizatorów. Z jednej strony umożliwia to łatwą kontrolę procesu chemicznego, a z drugiej daje możliwość otrzymania różnych produktów z jednej substancji. Ciekawym sposobem zademonstrowania działania procesów katalitycznych jest przeprowadzenie serii reakcji z udziałem wody utlenionej wobec różnych katalizatorów.
Katalizator kobaltowy Rys. Kobalt stosuje się do wyrobu katalizatorów, stopów metali i barwienia szkła. Źródło: buzzle.com, wikipedia.org, agh.edu.pl i ebottles.com Kobalt jest metalem stosowanym w przemyśle do produkcji stopów metali o dużej wytrzymałości mechanicznej i termicznej zwanych superstopami lub nadstopami. Sole kobaltu są barwy różowej, która po ogrzaniu zmienia się na niebieską. Związki kobaltu służą również do produkcji ciemnoniebieskiego szkła i barwienia porcelany. Pochodzący z winogron kwas winowy może być reagować z wodą utlenioną jedynie w obecności katalizatora. Nawet po silnym ogrzaniu w mieszanie dych dwóch substancji nie zachodzą żadne reakcje chemiczne. Dopiero dodanie niewielkiej ilości dowolnej soli kobaltu rozpoczyna burzliwą reakcję utleniania. Pochodzący z winogron kwas winowy może być reagować z wodą utlenioną jedynie w obecności katalizatora. Nawet po silnym ogrzaniu w mieszanie dych dwóch substancji nie zachodzą żadne reakcje chemiczne. Dopiero dodanie niewielkiej ilości dowolnej soli kobaltu rozpoczyna burzliwą reakcję utleniania. Rys. Każda reakcja chemiczna wymaga uważnej obserwacji i kontroli eksperymentatora.
Co się dzieje? Rys. Schemat procesu katalitycznego z udziałem kobaltu. Źródło: buzzle.com i blogspot.com W trakcie reakcji chemicznej cząsteczki katalizatora pobierają tlen pochodzący z wody utlenionej (Utlenianie 1). Następnie przenoszą tlen zmieniając cząsteczki kwasu winowego w wodę i dwutlenek węgla (Utlenianie 2). Po tej reakcji cząsteczki katalizatora znów mogą pobrać tlen z wody utlenionej i dalej reagować z kwasem winowym. Na podstawie powyższego schematu można wywnioskować, że jedna cząsteczka katalizatora może utlenić wiele cząsteczek kwasu, i rzeczywiście tak się dzieje. Dodatkowo, po zużyciu reagentów i zakończeniu reakcji, możliwe jest wielokrotne wykorzystanie tego samego katalizatora w kolejnych, takich samych reakcjach. Wystarczy dodać następne porcje kwasu winowego i wody utlenionej do mieszaniny reakcyjnej.
Katalizator jodowy Rys. Jod stosuje się głównie w medycynie do wyrobu jodyny - silnego środkóa odkażającego. Źródło: periodictable.com, agh.edu.pl i nowafarmacja.pl Katalizator jodowy jest o wiele aktywniejszy od kobaltowego, przez co reakcja z jego udziałem zachodzi jeszcze łatwiej i szybciej. Jony jodkowe pochodzące z soli jodu są wystarczająco silnym katalizatorem, żeby doprowadzić do rozkładu samej wody utlenionej do tlenu i wody. Wydzielający się tlen można "złapać" w postaci piany dodając do mieszaniny dowolnego detergentu, np. mydła w płynie. Wytwarzająca się przez długi czas i w znacznych ilościach piana, zabarwiona dowolnym barwnikiem spożywczym, przypomina swoim wyglądem pastę do zębów. Reakcja katalizowana jodem przebiega zdecydowanie szybciej od poprzedniej i jednocześnie daje możliwość dokładnej obserwacji, że nawet niewielka porcja katalizatora prowadzi do wytworzenia znacznych ilości produktów reakcji. Rys. Jod katalizuje rozkład wody utlenionej. Uzyskana piana przypomina pastę do zębów. Źródło: chem.wisc.edu, sciencebob.com i abc.net.au
Katalizator manganowy Rys. Mangan jest ważnym składnikiem stopów odpornych na ścieranie i wysoką temperaturę oraz baterii. Źródło: periodictable.com, agh.edu.pl i militaria.pl Katalizator manganowy oparty jest na pierwiastku manganie. Mangan oprócz zastosowania w stopach z żelazem i aluminium wykorzystywany jest przy produkcji baterii. Katalizator, którym jest sól manganu, jest najaktywniejszym z przedstawionej serii. Jego działanie na wodę utleniona jest natychmiastowe i praktycznie niemożliwe do opanowania. Rys. Katalizowana manganem reakcja chemiczna jest bardzo gwałtowna. Obłok pary wodnej wskazuje na duże ilości wydzielonego ciepła. Trudne do kontroli reakcje katalityczne nie mogą być stosowane w przemyśle, ponieważ mogą prowadzić do wybuchów i pożarów. Poza tym w bardzo szybkich reakcjach chemicznych powstaje więcej produktów ubocznych niż w reakcjach wolniejszych. Dlatego podczas projektowania procesów katalitycznych należy zachować równowagę pomiędzy szybkością działania (aktywnością) a selektywnością (czyli tworzeniem substancji nie pożądanych) katalizatora.