Предмет каталитической химии

Вопросы к экзамену по аналитической химии

Предмет каталитической химии

Аналитическаяхимия –наука о методах определения состававеществ. Предметее – решение общих проблем теориихимического анализа, совершенствованиесуществующих и разработка новых, болеебыстрых и точных методов анализа (т.

етеория и практика хим. анализа). Задача– развитие теории химических ифизико-химических методов анализа,процессов и операций в научномисследовании, совершенствование старыхметодов анализа, разработка экспрессныхи дистанционных м.

а, разработка методовультра- и микроанализа.

Взависимости от объекта исследованияаналитическую химию делятна неорганический и органический анализ.Аналитическая химия относится кприкладным наукам.Практическое значение ее весьмаразнообразно. С помощью методовхимического анализа были открытынекоторые законы – закон постоянствасостава, закон кратных отношений,определены атомные массы элементов,

химическиеэквиваленты, установлены химическиеформулы многих соединений и т. д.

Аналитическаяхимия в значительной степени способствуетразвитию естественных наук: геохимии,геологии, минералогии, физики, биологии,агрохимии, металлургии, химическойтехнологии, медицины и др.

Предметкачественного анализа— развитие теоретических основ,усовершенствование существующих иразработка новых, более совершенныхметодов определения элементарногосостава веществ. Задачакачественного анализа— определение “качества” веществ илиобнаружение отдельных элементов илиионов, входящих в состав исследуемогосоединения.

Качественныеаналитические реакции по способу ихвыполнения делятся на реакции “мокрым”и “сухим” путем.Наибольшее значение имеют реакции“мокрым” путем. Для проведения ихисследуемое вещество должно бытьпредварительно растворено.

Вкачественном анализе находят применениетолько те реакции, которые сопровождаютсякакими-либо хорошо заметными длянаблюдателя внешними эффектами:изменением окраски раствора; выпадениемили растворением осадка; выделениемгазов, обладающих характерным запахомили цветом.

Особенночасто применяются реакции, сопровождающиесяобразованием осадков и изменениемокраски раствора. Такие реакции называютсяреакциями “открытия”,так как с их помощью обнаруживаютсяприсутствующие в растворе ионы.

Широкоиспользуются также реакции идентификации,с помощью которых проверяется правильность“открытия” того или иного иона. Наконец,применяются реакции осаждения, с помощьюкоторых обычно отделяется одна группаионов от другой или один ион от другихионов.

Взависимости от количества анализируемоговещества, объема раствора и техникивыполнения отдельных операций химическиеметоды качественного анализа делятсянамакро-, микро-, полумикро- и ультрамикроанализи др.

2. Основные понятия аналитической химии. Типы аналитических реакций и реагентов. Требования, предъявляемые к анализу, чувствительности, селективности определения состава веществ

Аналитическаяреакция —хим. реакция, используемая для разделения,обнаружения и количественного определенияэлементов, ионов, молекул. Она должнасопровождаться аналитическим эффектом(выпадением осадка, выделением газа,изменением окраски, запаха).

Потипу химических реакций:

Общие– аналитическиесигналы одинаковы для многих ионов.Реагент – общий. Пример: осаждениегидроксидов, карбонатов, сульфидов ит.д.

Групповые – аналитические сигналы характерныдля определенной группы ионов, обладающихблизкими свойствами. Реагент – групповой. Пример: осаждение ионов Ag+,Pb2+реагентом – соляной кислотой собразованием белых о садков AgCl, PbCl2

Общиеи групповые реакции применяют длявыделения и разделения ионов сложнойсмеси.

Селективные– аналитические сигналы одинаковы дляограниченного количества ионов. Реагент– селективный. Пример: при действииреагента NH4SCN на смесь катионов только два катионаобразуют окрашенные комплексные соединения: кроваво-красное [Fe(SCN)6]3-

исинее [Co(SCN)4]2-

Специфические– аналитический сигнал характерентолько для одного иона. Реагент – специфический. Таких реакций крайнемало.

Потипу аналитического сигнала:

• Цветные

• Осадительные

• Газовыделительные

• Микрокристаллические

Пофункции:

• Реакцииобнаружения (идентификации)

• Реакцииразделения (отделения) для удалениямешающих ионов путем осаждения, экстракцииили возгонки.

Потехнике выполнения:

Пробирочные– выполнятся в пробирках.

Капельныевыполняются:

-на фильтровальной бумаге,

-на часовом или предметном стекле.

Приэтом на пластинку или на бумагу наносят1-2 капли анализируемого раствора и 1-2 капли реагента, дающего характерноеокрашивание или образование кристаллов.При выполнении реакций на фильтровальнойбумаге используются адсорбционныесвойства бумаги.

Капля жидкости, нанесенная на бумагу, быстро рассасываетсяпо капиллярам, а окрашенное соединениеадсорбируется на небольшой площадилиста. При наличии в растворе несколькихвеществ скорость движения их может бытьразличной, что дает распределение ионовв виде концентрических зон.

В зависимостиот произведения растворимости осадка– или в зависимости константы устойчивостикомплексных соединений: чем больше ихзначения, тем ближе к центру или в центреопределенная зона.

Капельныйметод разработал советский ученый-химикН.А. Тананаев.

Микрокристаллическиереакцииоснованы на образовании химическихсоединений, имеющих характерную форму, цвет и светопреломляющую способностькристаллов. Они выполняются на предметныхстеклах.

Для этого на чистое стеклонаносят капиллярной пипеткой 1-2 каплианализируемого раствора и рядом 1-2 каплиреагента, осторожно соединяют ихстеклянной палочкой, не перемешивая.

Затем с текло помещают на предметныйстолик микроскопа и рассматриваютосадок, образовавшийся на месте

соприкосновениякапель.

Дляправильного использования в аналитикереакций следует учитывать чувствительностьреакции.Она определяется наименьшим количествомискомого вещества, которое может бытьобнаружено данным реактивом в каплераствора (0,01-0,03 мл). Чувствительностьвыражается рядом величин:

  • Открываемый минимум — наименьшее количество вещества, содержащееся в исследуемом растворе и открываемое данным реактивом при определенных условиях выполнения реакции.
  • Минимальная (предельная) концентрация показывает при какой наименьшей концентрации раствора данная реакция позволяет еще однозначно открывать обнаруживаемое вещество в небольшой порции раствора.
  • Предельное разбавление — максимальное количество разбавителя, при котором еще определяется вещество.

Вывод:аналитическая реакция тем чувствительней,чем меньше открываемый минимум, меньшеминимальная концентрация, но чем большепредельное разбавление.

Источник: https://StudFiles.net/preview/5246066/

Введение

Предмет каталитической химии

Цели изучения катализа: теоретические (попытки создания теории предвидения каталитического действия и теории приготовления катализаторов, углубление знаний о механизмах катализа), практические (подбор и совершенствование катализаторов промышленных реакций). Трудности (низкие перспективы создания общей теории).

Острая конкуренция между разработчиками промышленных катализаторов. Экономическая значимость промышленных каталитических процессов. Мировой рынок катализаторов.

Явление катализа широко распространено в природе: почти все процессы, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. Наверное, нет ни одного человека, который не слышал бы слова “катализ” или “катализаторы”.

Сейчас, если спросить любого человека на улице: “Что такое катализатор?”, вам ответят: “Это то, что используют в автомобилях для нейтрализации (очистки) выхлопных газов”. А современную промышленность нельзя представить себе без использования катализаторов.

Только в химической промышленности каталитические процессы обеспечивают более 80% продукции и около 20% ВВП развитых стран. Не менее 90-95% промышленных реакций – это каталитические процессы в химических и нефтехимических производствах,

Каталитические процессы применяются не только в химических и нефтехимических производствах, но и в пищевой, фармацевтической, металлургической, строительной и многих других отраслях промышленности. А что касается биотехнологии, которая в настоящее время бурно развивается, – там все процессы каталитические.

Катализаторы незаменимы в следующих областях:

  • – производство топлива для транспорта (во всем мире работают 440 нефтеперерабатывающих заводов);
  • – крупнотоннажной и тонкой химической технологии во всех отраслях химической индустрии; только крупнотоннажной химической продукции в мире производится почти на 700 млрд. долл. США (рис. 1.1);
  • – предотвращение загрязнения среды через создание малоотходных технологий;
  • – снижение уровня загрязнения сточных вод, промышленных выбросов и выхлопных газов транспорта.

Рис. 1.1. Производство крупнотоннажной химической продукции в 2005 г.

Следует также отметить, что ежегодно на заводах всего мира производится примерно 200 тыс. тонн катализаторов общей стоимостью около ~15 млрд. долл. США. Это гигантский рынок.

Катализ – явление, которое в настоящее время достаточно хорошо осмыслено на концептуальном уровне. Каталитическая химия – раздел химии, изучающий явление катализа, методы подбора катализаторов, их синтеза и применения в различных областях науки, технологии и техники.

Катализаторы и реагенты могут быть как неорганическими, так и органическими, поэтому каталитическая химия – междисциплинарная область (рис. 1.2). Она использует представления неорганической, органической, физической химии.

Для подбора эффективных катализаторов учёные и инженеры пользуются также методами электрохимии, квантовой химии, химии металлоорганических соединений. Для исследования катализаторов применяются разнообразные физические методы и приборы. Поэтому можно с полным правом утверждать, что каталитическая химия находится “на стыке наук”, т.е. это интенсивно развивающаяся область химии.

Рис. 1.2. Междисциплинарные связи каталитической химии

Часто говорят об органическом катализе. Что подразумевают под этим термином? Органический катализ является той областью катализа, когда либо реагент, либо катализатор являются органическими соединениями. химический каталитический крупнотоннажный

Какие же задачи стоят перед каталитической химией?

  • – теоретические (попытки создания теории предвидения каталитического действия и теории приготовления катализаторов, углубление знаний о механизмах катализа),
  • – практические (подбор и совершенствование катализаторов промышленных реакций).

Ещё в XV в. алхимики обнаружили, что в присутствии серной кислоты, которая при этом не расходуется, этиловый спирт превращается в диэтиловый эфир (в гомогенной системе):

2C2H5OH (H2SO4) > (C2H5)2O + H2O

Тем не менее, первые научные сведения о катализе относятся к началу XIX в. В 1806 г. французские учёные Н. Клеман и Ш. Дезорм открыли реакцию окисления сернистого ангидрида до серного под действием диоксида азота, который в процессе не расходовался:

Это открытие было использовано для промышленного способа получения серной кислоты (так называемый камерный способ).

В 1811 г. петербуржский академик К.С. Кирхгоф открыл, что разбавленные кислоты способны вызывать превращение крахмала в сахар (глюкозу). И в этом случае кислота не расходовалась. В 1814 г. им же было установлено, что эту реакцию также может катализировать фермент диастаза из ячменного солода. Так было положено начало применению биологических катализаторов – ферментов.

Французский химик Л. Тенар в 1813 г. установил, что аммиак при нагревании разлагается на азот и водород под влиянием некоторых металлов (железо, медь, серебро, платина):

NH3 (Fe,Cu, Pt,Pd) – N2 + H2

В 1818 г. он же показал, что большое число твёрдых тел оказывает ускоряющее действие на разложение растворов перекиси водорода, а английский химик Г. Дэви открыл способность паров спирта и эфира окисляться кислородом на поверхности платины.

В 1822 г. немецкий химик И. Дёберейнер установил, что водород и кислород соединяются на платине при обычной температуре. За этим последовало открытие и других фактов сильного положительного воздействия веществ на скорость химических реакций.

Все это привело к выделению особой группы явлений, названных немецким химиком Э. Митчерлихом контактными (1833 г.). Термин катализ(от греч. кбфблэейн – разрушение) для таких явлений был введён только в 1835 г. великим шведским химиком Й.

Берцелиусом, который систематизировал и обобщил все известные к тому времени сведения об ускорении химических реакций под действием катализаторов. В.Ф. Оствальд (1909 г.) показал, что катализатор ускоряет только термодинамически разрешенные процессы.

За нахождение связи катализа с термодинамикой ему была присуждена Нобелевская премия.

Развитие понимания явления катализа отставало от его практического применения (рис. 1.3).

Рис. 1.3. К истории гетерогенного катализа

Лишь в начале XX в. стали появляться работы, посвященные попыткам объяснения явления катализа. Так, П. Сабатье (1912 г.

) предложил теорию промежуточных соединений и показал, что в присутствии катализаторов реакция идет по иному маршруту, чем в отсутствие катализатора. В 1912 г.

он получил Нобелевскую премию за метод гидрогенизации органических соединений в присутствии мелкодисперсных металлов, который резко стимулировал развитие органической химии.

В 1910-1920 гг. практическое применение катализа было развито в работах В.Н. Ипатьева, который ввел в практику катализ при высоком давлении. В 1913 г.

впервые был получен в промышленном масштабе аммиак каталитическим синтезом из азота и водорода. Автором каталитического синтеза аммиака является немецкий ученый Ф. Габер.

За разработку научных основ процесса синтеза аммиака и за промышленное оформление его Ф. Габеру и К. Бошу в 1918 г. была присуждена Нобелевская премия.

Исследования механизма каталитических реакций стали возможны после работ И. Ленгмюра и С.Н. Хиншельвуда, посвященных изучению процессов адсорбции и созданию кинетической теории.

Развитие теоретических представлений (например, теория переходного состояния) и приход в эту область спектральных методов (ИК спектроскопия) открыли новые возможности в установлении связи между каталитическими свойствами и составом и структурой материала.

Современное состояние науки о поверхности позволяет выявить структуру адсорбционных центров и их реакционную способность. Разработанная в конце ХХ в.

туннельная микроскопия позволяет изучать структуру поверхности и адсорбционных слоев на атомном уровне; некоторые современные методы позволяют изучать катализаторы в процессе их работы (in situ). Развитие получили и численные методы.

Page 3

Перейти к загрузке файла

  • 1. О.В. Крылов. Гетерогенный катализ. М.: 2004. Академкнига, 2004.680 с.
  • 2. И. Чоркендорф, Х. Наймантсведрайт. Современный катализ и химическая кинетика. Долгопрудный: ИД “Интеллект”, 2010. 599 с.
  • 3. В.М. Байрамов. Основы химической кинетики и катализа. М.: ACADEMA, 2003. Часть 2.
  • 4. Г.Б. Бремер, К.-П. Вендландт. Введение в гетерогенный катализ. М.: Мир, 1981, 160 с.
  • 5. К. Танабе. Катализаторы и каталитические процессы. М.: Мир, 1993, 172 с.
  • 6. К. Танабе. Твердые кислоты и основания. М.: Мир, 1973 (гл. 1, 2, 4, 5).
  • 7. Б.В. Романовский. Развитие теоретических представлений в гетерогенном катализе (1950-е годы). Вклад российских ученых // 1 сентября. 2005. № 7. (him.1september.ru/2005/07/1.htm)
  • 7. Б.В. Романовский. Основы катализа. М., 2012. 154 с.

  Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter

Источник: https://studwood.ru/1679159/matematika_himiya_fizika/predmet_kataliticheskoy_himii

Военный юрист
Добавить комментарий