Катализа

Катализаторът е вещество, което увеличава скоростта на реакцията, като то самото не се изчерпва в общата реакция. Нека да разгледаме разлагането на водороден пероксид, Н2О2 е водороден пероксид, при което се получават вода и кислород. Реакцията протича при стайна температура. Но това е една много бавна реакция. За да се ускори, се използва катализатор, и ако правиш опит, като например прочутия опит със слонската паста за зъби по обща химия, трябва да добавиш източник на йодидни йони. Това е един от възможните катализатори. Може да използваш калиев йодид или натриев йодид. Добавяш източник на йодидни аниони и това ускорява реакцията. Йодидният анион е катализаторът, който ускорява скоростта на реакцията. Нека да разгледаме механизма на тази реакция, когато добавим йодиден анион като катализатор. В първата стъпка на процеса имаме Н2О2 и йодиден катализатор, които образуват хипойодитни йони. Това е нашето междинно съединение, хипойодитен анион, това е междинното съединение, и още ни е дадена информация, че тази първа стъпка на процеса е бавната стъпка. Втората стъпка на механизма, имаме още една молекула водороден пероксид, която реагира с междинното съединение, или с хипойодитния йон, и получаваме кислород, като това е бързата стъпка. Запомни, че механизмът на химичната реакция трябва да се състои от елементарни стъпки, които обединени дават цялостната реакция. Ако обединим нашите две стъпки, получаваме общата реакция. Събираме всички изходни вещества, това е Н2О2 плюс I-, плюсН2О2 пюлс IO- и трябва да получим продуктите. Ще заградя продуктите, имаме Н2А плюс IO- плюс Н2О плюс О2 плюс I-. Има доста неща, които се случват тук. Да видим какво можем да задраскаме. Какво имаме и от двете страни? Можем да задраскаме йодида, този отляво и този отдясно. Това е нашият катализатор. Той ускорява скоростта на реакцията, но не се изчерпва. Използваме го в първата стъпка, но йодидният анион се възстановява във втората стъпка. Така че като цяло катализаторът не се изчерпва. И след това имаме нашето междинно съединение. Този хипойодитен йон отляво и отдясно може да се задраска. Междинното съединение се образува на първата стъпка, но се изчерпва във втората стъпка. И какво ни остава? Отляво остава 2 пъти Н2О2, това са изходните вещества, отдясно имаме два пъти Н2О, и също така кислород, значи плюс О2. Получихме отново първоначалната реакция, общата реакция. Също така механизмът на протичане трябва да съответства на експериментално полученото кинетично уравнение на реакцията. Обсъждахме това в предишно видео. За да съставя кинетичното уравнение, първо трябва да определя коя е скоростоопределящата стъпка. Скоростоопределящата стъпка е бавната стъпка в механизма. Стъпка едно е нашата скоростоопределяща стъпка. Можем да запишем кинетичното уравнение за скоростоопределящата стъпка, която знаем, че е елементарна реакция. Това е елементарна реакция, тя е бимолекулна, така че да запишем кинетичното уравнение. Скоростта на реакцията е равна на нашата скоростна константа k, това е скоростната константа, по концентрацията на Н2О2. Значи по концентрацията на Н2О2, и тъй като имаме коефициент едно, запомни, че за елементарна реакция можем да го използваме като степенен показател. Значи имаме на първа степен, а после имаме концентрацията на йодидните аниони, значи по концентрацията на I- и отново имаме коефициент едно, тъй като това е елементарна реакция, той става степенен показател. Това е кинетичното уравнение, което можем да изведем от тази скоростоопределяща стъпка, а то съответства на екстериментално намереното кинетично уравнение за цялата реакция. Значи това е възможният механизъм за тази реакция на разлагане на водороден пероксид. Как всъщност катализаторът ускорява скоростта на реакцията? Нека да погледнем енергийния профил на некатализираната реакция, разлагането на водороден пероксид до вода и кислород. Това е некатализираният процес. Започваме с определена енергия за нашите реагенти, и знаем, че тук горе това е енергията на преходното състояние. Разликата между тези двете е активиращата енергия. Значи това е активиращата енергия за некатализирана реакция. Добавяме източник на йодидни йони, нашият катализатор, това всъщност е друг механизъм, механизъм с по-ниска енергия, и ние знаем, че той протича в две стъпки, така че нека да го скицирам. Енергията на изходните вещества е същата, нали? Тя е на същото ниво, но ще намалее активиращата енергия, нека да го скицирам. Ще изглежда някак така, знам, че не чертая перфектно. Да кажем, че енергийният профил изглежда така след добавяне на катализатор. Значи това е преходното състояние, за тази първа стъпка от механизма на протичане, и виждаш, че активиращата енергия се е понижила. Имаме по-ниска активираща енергия. Спомни си от предишно видео, че ако намалим активиращата енергия, увеличаваме скоростта на реакцията, което се вижда в уравнението на Арениус. Ето това прави катализатора, и когато достигнем тази точка тук, тази вдлъбнатина, която представлява енергията на междинното съединение, на хипойодитния йон, тогава имаме втора активираща енергия за втората стъпка от механизма. Значи това е първата стъпка от механизма, ще запиша Еа1, а това е активиращата енергия за втората стъпка от механизма, Еа2. Активиращата енергия за първата стъпка е по-висока, защото тя е скоростоопределящата стъпка. Отново, катализаторът не влияе на енергията на изходните вещества или на продуктите, тези енергии остават същите. Катализаторът намалява необходимата активираща енергия което увеличава скоростта на реакцията.