Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Kataliza homogeniczna

Kataliza homogeniczna
e-suplement
Kataliza homogeniczna ma miejsce, gdy katalizator i reagenty znajdują się w tych samych fazach, np. są roztworami ciekłymi lub gazami. Przemiany z udziałem katalizatorów homogenicznych najczęściej polegają na reakcji katalizatora z jednym z substratów. Produkty reagują z drugim substratem dając produkt końcowy oraz odtwarzając katalizator (niektóre przemiany składają się z większej liczby etapów).

W pierwszym doświadczeniu przekonamy się, że katalizator wchodzi w reakcję z substratem i zostaje zregenerowany w końcowym etapie przemiany (co daje wrażenie, że nie bierze on udziału w procesie). Do wykonania próby potrzebny będzie 10% roztwór chlorku żelaza(III) FeCl3 oraz 10% roztwór nadtlenku wodoru H2O2 (handlowy perhydrol – 30% roztwór H2O2 – rozcieńczony wodą w stosunku 1:2). Eksperyment przeprowadzamy w dwóch parowniczkach porcelanowych. Do pierwszej z nich nalewamy wodę, do drugiej taką samą objętość sporządzonego roztworu H2O2. Następnie do obu naczyń wprowadzamy 1-2 cm3 roztworu FeCl3 (fotografia 1). W parowniczce z samą wodą ciecz przyjmuje żółte zabarwienie charakterystyczne dla uwodnionych jonów Fe3+, w naczyniu z roztworem H2O2 – zabarwia się na kolor brunatny (fotografia 2). Zachodzącej przemianie towarzyszy intensywne wydzielanie gazu oraz rozgrzewanie zawartości drugiej parowniczki (fotografie 3, 4). Po pewnym czasie wydzielanie gazu ustaje, a ciecz przyjmuje żółte zabarwienie (fotografie 5, 6) – takie jak w pierwszym naczyniu.

Równania reakcji, których byliśmy świadkami, zapisujemy następująco:

1) jony Fe3+ utleniają nadtlenek wodoru z wydzieleniem wolnego tlenu (intensywne pienienie się roztworu), równocześnie redukując się do połączeń żelaza dwuwartościowego (brunatne zabarwienie):

wzor 1

2) wolny tlen utlenia jony Fe2+ do połączeń żelaza(III), które ponownie biorą udział w pierwszej reakcji:

wzor 2

Dodanie stronami równań obu procesów (w pierwszym dwukrotnie zwiększamy współczynniki) oraz redukcja identycznych wyrazów po przeciwnych stronach daje w efekcie równanie rozkładu H2O2. Nie występują w nim żadne jony żelaza, ale dla zaznaczenia roli, jaką pełnią w przemianie, wpisujemy je nad strzałką:

wzor 3

Drugi eksperyment pokaże ciekawe zjawisko jakim jest autokataliza, czyli przyspieszanie reakcji przez jeden z jej produktów (co powoduje, że przemiana w miarę upływu czasu biegnie coraz szybciej). Do próby potrzebny będzie kwas szczawiowy (COOH)2, stężony roztwór kwasu siarkowego(VI) H2SO4, nadmanganian potasu KMnO4, oraz siarczan(VI) manganu(II) MnSO4. Sporządzamy 10% roztwory kwasu szczawiowego oraz obu soli. Do pierwszej kolby wlewamy 5 cm3 roztworu (COOH)2 oraz 1 cm3 roztworu H2SO4. Do drugiej te same odczynniki oraz dodatkowo 5 cm3 roztworu MnSO4. Zawartości obu kolb uzupełniamy wodą do objętości 50 cm3. Następnie do każdego naczynia dodajemy po kropli roztworu nadmanganianu potasu (fotografie 7, 8). W pierwszej kolbie ciecz barwi się na różowy kolor, w drugiej zabarwienie znika od razu (fotografia 9). Po pewnym czasie zawartość pierwszej kolby blednie (fotografia 10), wreszcie roztwór staje się bezbarwny (fotografia 11). Po dodaniu kolejnych kropli roztworu KMnO4 zjawisko powtarza się, ale zabarwienie pierwszej kolbie utrzymuje się coraz krócej.

Mechanizm reakcji jest następujący:

1) jony nadmanganianowe reagują z jonami manganu(II):

wzor 4

2) nietrwałe jony manganu(III) utleniają jony szczawianowe do dwutlenku węgla (łączą się także z nimi w kompleksy):

wzor 5

Jony Mn2+ ponownie biorą udział w pierwszej reakcji.

Dodanie stronami obu równań (w pierwszym zwiększamy współczynniki dwu-, a w drugim pięciokrotnie) daje zapis reakcji utleniania szczawianów za pomocą jonów nadmanganianowych w środowisku kwaśnym:

wzor 6

Powodem rosnącej szybkości procesu jest zwiększające się stężenie jonów  manganu(II). Początkowo reakcja pomiędzy nadmanganianem a szczawianami jest bardzo powolna z powodu niewielkiej ilości jonów Mn2+ (powstają w wyniku rozkładu KMnO4, np. pod wpływem zanieczyszczeń substancjami organicznymi). W miarę ich wytwarzania reakcja ulega przyspieszeniu. Dodatek soli manganu(II) powoduje, że przemiana od początku zachodzi z dużą szybkością.

Pokaz działania katalizatora:

Autokataliza:

Magazyn