Clasificarea reactiilor catalitice : Catalizatorii sunt substante care modifica viteza reactiilor chimice, actionand asupra mecanismului lor.Acestia participa la reactia chimica ,dar se regasesc cantitativ la sfarsitul ciclului de reactie .In lectiile de chimie de pana acum ati intalnit o serie de reactii chimice in care se foloseau diferiti catalizatori : reactia de descompunere a cloratului de potasiu in prezenta de dioxid de mangan ,reactia de obtinere a amoniacului pe catalizator deci o reactie de dehidrogenare .Daca folosim acelasi reactant si acelasi catalizator dar modificam temperature (250 grade C) ,are loc reactia :
Catalizatorii isi modifica astfel selectivitatea in functiile de conditiile de lucru.
Catalizatori : Viteza unei reactii chimice poate fi influentata de prezenta in mediul de reactie a unor substante chimice sau amestecuri de substante chimice. Catalizatorul este un compus chimic care mareste viteza unei reactii chimice si se regaseste neschimbat ,calitativ si cantitativ,la sfarsitul reactiei. Notiunea de catalizator a fost introdusa de Berzelius in anul 1835 ,dar observatiile despre astfel de substante au fost facute inca din Antichitate ,de Aristotel. Catalizatorul mareste viteza reactiilor termodinamic posibile ; reactia chimica are loc si in absenta catalizatorului ,dar cu viteza foarte mica. Reactivul asupra caruia actioneaza catalizatorul se numeste substrat. Exercitiu : Da exemple de reactii chimice in care ai intalnit catalizatori ,pe care le-ai invatat in clasa a 11-a , la chimie organica.Identifica substratul si catalizatorul. Industrial,primul catalizator folosit a fost apa pentru oxidarea dioxidului de sulf cu acid azotic (1838).In prezent,peste 90% din procesele tehnologice ale industriei chimice folosesc catalizatori,care pot fi substante simple sau amestecuri de substante. Vei face propriile tale observatii referitoare la actiunea catalizatorilor asupra reactiei de descompunere a apei oxigenate : 2H2O2(I) 2H2O(I)+O2(g)
Activitate experimentala : Mod de lucru : Introdu in 5 eprubete foarte curate cate 2mL solutie de apa oxigenata 3%.In eprubetele 2,3,4 adauga cu pipeta cate 2-3 picaturi din una din solutiile de FeCl3, CuSO4 , Pb(NO3)2 1M. In eprubeta 5 adauga foarte putin dioxid de mangan pulbere; introdu in eprubeta un bat de chibrit incandescent , fara sa atingi solutia. Observatie : Eprubeta 1 este folosita pentru comparatie ; in celelalte eprubete se observa o degajare de gaz ;ea este mai intensa in eprubeta cu dioxid de mangan.Betisorul incandescent se aprinde cu flacara.
Apa oxigenata se descompune in mod spontan,eliberand oxigen printr-o reactie lenta. Sarurile de Fe(III), Cu(II),Pb(II),au o actiune catalitica asupra reactiei de descompunere a apei oxigenate.Alti catalizatori ai acestei reactii sunt dioxidul de mangan si chiar sticla.Pentru a pastra apa oxigenata este recomandat sa se foloseasca vase din materiale plastice (policlorura de vinil sau de teflon) fara actiune catalitica, inchise ermetic.Oxigenul degajat la descompunerea apei oxigenate are actiune dezinfectanta , de aceea se foloseste pentru curatarea plagilor.Poate ai observat efervescenta apei oxigenate in contact cu sangele( nu e cazul sa provoci acest lucru!).Sangele contine substante organice,numite catalaze ,care sunt biocatalizatori. Exercitiu : Etanolul se transforma la 300 grade C , in :a. etena ,daca reactia este catalizata de Al2O3; b.in aldehida acetica,daca reactia este catalizata de cupru fin divizat. Se cere : 1.Scrie ecuatiile reactiilor chimice care au loc. 2.Ce concluzie deprinzi din acest exercitiu? Rezolvare :
2. Acelasi substrat ,in prezenta unor catalizatori diferiti,conduce la produsi de reactie diferiti.
Selectivitatea catalizatorilor: Catalizatorul actioneaza selectiv .Selectivitatea catalizatorului face ca acesta a influenteze numai viteza unui anumit tip de reactie. Enzimele, despre care ai invatat in clasa a 11-a sunt catalizatorii organici ai reactiilor biochimice .Ele au activitate specifica ,adica reactioneaza cu un anumit substrat. Exercitiu : Da exemple de reactii biochimice catalizate de enzime , pe care le-ai invatat in clasa a 11-a , la capitolul Notiuni de biochimie.Identifica substratul si catalizatorul.
Inhibitori : Exista compusi chimici sau amestecuri de compusi chimici care diminueaza viteza de reactie (sau chiar impiedica o reactie chimica sa se desfasoare ).Acesti compusi se numesc inhibitori.Ei actioneaza asupra catalizatorilor. Exercitiu : In reactia de hidrogenare a acetilinei,in functie de tipul de catalizator folosit,se obtin etan si respectiv etena.Scrie ecuatiile reactiilor chimice si identifica catalizatorii in fiecare din cele doua cazuri. Rezolvare : Catalizatorii sunt : Ni ,Pt,Pd pentru obtinerea etanului si Pd otravit cu saruri de Pb pentru obtinerea etenei. Introducerea in mediul de reactie a unor mici cantitati de saruri de Pb(II) are ca efect oprirea reactiei de hidrogenare a acetilenei la faza de etena. Substantele chimice care incetinesc sau inhiba complet o reactie chimica se numesc inhibitori ( sau otravuri).
Proprietati generale ale catalizatorilor:
Orice catalizator este caracterizat prin activitate catalitica.Aceasta se poate masura ca viteza de reactie exprimata prin numarul de molecule ce reactioneaza in unitatea de timp pe unitatea de spatiu de reactie(adica volumul pentru cataliza omogena si suprafata pentru cea eterogena).Pentru evaluari ale activitatii catalitice,in scopuri tehnologice, in locul suprafetei se poate utiliza volumul sau masa de catalizator. Activitatea catalizatorilor scade treptat in timp-se dezactiveaza.De aceea din timp in timp catalizatorii trebuie reactivati. O clasa de substante denumite promotori maresc considerabil activitatea catalizatorilor.Este de subliniat ca promotorii,in absenta catalizatorilor, nu modifica viteza de reactie.Astfel alumina,Al203,nu catalizeaza amoniacul,in schimb fierul obtinut prin reducerea oxidului Fe3O4 are proprietati catalitice in aceasta sinteza.Se constata deci ca in prezenta de alumina(Al2O3) actiunea catalitica a fierului creste considerabil,deci aluminiul intruneste calitatile unui promotor. Anumite substante au capacitatea de a reduce sau, in unele cazuri, de a anula activitatea catalizatorilor.Aceste substante se numesc otravuri.Astfel,catalizatorii de fier folositi in sinteza amoniacului sunt otraviti de oxigen,oxid de carbon si compusi cu sulf.Inhibitorii micsoreaza sinteza reactiilor chimice,actioneaza asupra reactantilor si nu asupra catalizatorului. Unele fructe si legume ca :merele,piersicile si cartofii se innegresc cand sunt taiate si expuse in aer. Mojarati o tableta de vitamina C (acid ascorbic) si dizolvati-o in 50 ml de apa, agitati solutia.Taiati 2 felii subtiri de cartofi si inmuiati una din ele in solutia de acid ascorbic,iar alta in apa si lasati-le in aer pe o hartie.Dupa 20 de minute se observa ca felia tratata cu vitamina C nu s-a innegrit, pe cand cea introdusa in apa se inchide la culoare. Innegrirea fructelor sau legumelor se datoreaza unei reactii de oxidare in aer, care se produce sub actiunea unei enzime care se numeste tirozinaza.Acidul ascorbic(vitamina C) impiedica aceasta reactie de oxidare,actionand ca inhibitor. Acetanilida(C6H5 NHCOCH3) este inhibitor al reactiei de descompunere al apei oxigentate. De asemenea tetraetil plumbul (Pb(C2H5)4) este un inhibitor al reactiei de oxidare spontana a hidrocarburilor inainte de comanda prin scanteie, la cilindrii motoarelor cu explozie;tetraetil plumbul este numit si antidetonant,deoarece inlatura fenomenul de detonatie. O caracteristica importanta a catalizatorilor este selectivitatea,manifestata prin aceea ca ei favorizeaza numai una din multe reactii posibile.Astfel alcoolul etilic, in prezenta de alumina la 350 C poate suferi reactia de deshidratare:
Folosind catalizatorul de cupru metalic la 200 grade C are loc reactia :
de fier,reactia de oxidare a dioxidului de sulf in prezenta de pentaoxid de vanadiu sau oxizi de azot, reactia de dehidrogenare a unor hidrocarburi in prezenta de catalizatori metalici,etc. Exercitiu : Efectuati reactia de descompunere a apei oxigenate (H2O2) in absenta si in prezenta catorva substante:MnO2,Fe2O3,SiO2,solutie de MnCl2 cu NH3 in solutie apoasa,solutie de FeCl2 cu CuCl2.Observatiile sistematizati-le in tabel.
Examinand rezultatele din tabel se constata ca unele substante au o actiune catalitica mai puternica marind considerabil viteza de reactie,altele au o actiune mai slaba,iar altele nu actioneaza deloc asupra vitezei reactiei chimice. O alta concluzie care se desprinde este ca sistemul reactanti-catalizatori poate fi format dintr-o singura faza(portiune omogena dintr-un sistem,separata de restul sistemului prin suprafete de separare) sau din faze diferite(solid-gaz, solid-lichid, doua lichide nemiscibile,etc). Reactiile in care catalizatorul si reactantii apartin aceleaiasi fraze se incadreaza in cataliza omogena , iar cele in care catalizatorul constituie o faza independenta in cataliza eterogena. Tema : Studiati reactia de descompunere a KCl3, in prezenta de MnO2,Fe2O3,CuO,SiO2.Aratati care dintre aceste substante are actiunea catalitica si care dintre catalizatori are actiunea cea mai eficienta. In studiul chimiei organice s-au examinat o serie de reactii care au loc sub actiunea unor enzime( substante organice cu structura proteica).Acestea , in concentratii foarte mici,au actiune catalitica intr-o serie de reactii biochimice .Aproape toate transformarile chimice care au loc in celulele vii,cum ar fi oxidarea,care genereaza energie si sinteza,care produce substante chimice pentru celula necesita mai multi biocatalizatori-in general cate unul pentru fiecare ciclu de reactii.Toate aceste procese se incadreaza in cataliza enzimatica. Toate reactiile de fermentatie( alcoolica,acetica,lactica,etc) studiate pana in prezent au loc sub actiunea unor enizime.
Tema : Scrieti reactiile de obtinere a alcoolului etilic si a acidului acetic prin fermentatie. In concluzie,fenomenele catalitice pot fi : omogene, eterogene sau enzimatice.
