chem07_zeszyt_cwiczen_dla_ucznia.doc

Zeszyt ćwiczeń

RZECZ O PRZEŁAMYWANIU BARIER

dr inż. Piotr Winiarek
Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej

1.        W jaki sposób działa katalizator? Odpowiedz omawiając poniższy wykres:

2.        Obecnie głównym źródłem związków organicznych jest ropa naftowa. Zasoby tego surowca nie są jednak nieograniczone i w przyszłości mogą zostać wyczerpane. Przewiduje się, że w przyszłości głównym źródłem związków organicznych może być węgiel.  Węgiel poddaje się reakcji z parą wodną (zgazowanie), w której otrzymuje się mieszaninę wodoru i tlenku węgla(II). Przepuszczając tę mieszaninę przez różne katalizatory można otrzymać mieszaninę o składzie zbliżonym do ropy naftowej i przetwarzać ją w podobny sposób, jak obecnie przetwarza się ropę. Odszukaj w encyklopedii i Internecie informacje na temat syntezy Fischera-Tropscha. Zwróć uwagę na katalizatory, jakie stosuje się w tej syntezie.

3.        Jakie są składniki katalizatora heterogenicznego i jakie są ich funkcje?

4.        W obecności katalizatorów Zieglera-Natty można otrzymać 1 t polietylenu stosując katalizator zawierający 1 g tytanu. Wiedząc, że zadaniem katalizatora jest dołączanie do narastającego łańcucha polimeru kolejnych jednostek C2H4 oblicz, ile razy zadziałał w tej reakcji każdy atom tytanu.

5.        Jakie zagrożenia dla środowisku powoduje brak katalizatora dopalania spalin w układzie wydechowym silnika samochodowego?

6.        Przyrządzono roztwór wodny manganianu(VII) potasu o intensywnym, fioletowym kolorze. Umieszczono go w rozdzielaczu i dodano taką samą objętość benzenu. Otrzymano 2 warstwy: górna, benzenowa była bezbarwna. Do rozdzielacza dodano pewną ilość chlorku benzylotrietyloamoniowego (TEBA-Cl) i całość starannie wymieszano. Po rozdzieleniu warstw okazało się, że tym razem warstwa górna ma kolor fioletowy a dolna jest bezbarwna. Wyjaśnij zaobserwowane zjawisko.

ODPOWIEDZI DO ZADAŃ

Zasada działania katalizatora polega na wytworzeniu kompleksu aktywnego o energii niższej niż w przypadku reakcji prowadzonej bez obecności katalizatora. Cząsteczki reagentów wiążą się z centrami aktywnymi katalizatora za pomocą wiązań chemicznych, co osłabia wiązania w obrębie reagującej cząsteczki. Efekt energetyczny reakcji prowadzonych wobec katalizatora i bez jego obecności jest taki sam. Zmienia się natomiast energia aktywacji reakcji – w przypadku reakcji katalitycznej jest ona znacznie niższa. Ponieważ energia aktywacji jest bezpośrednio związana z szybkością reakcji (zależność wykładnicza!) więc obniżenie EA spowoduje znaczne zwiększenie szybkości reakcji.

·         Synteza Fischera-Tropscha polega na uwodornieniu tlenku węgla(II) gazowym wodorem wobec różnych katalizatorów. W zależności od zastosowanego katalizatora w wyniku reakcji otrzymuje się różne produkty. Początkowo reakcję prowadzono w obecności żelaza modyfikowanego jonami potasu i otrzymywano skomplikowaną mieszaninę zawierająca zarówno węglowodory, jak i związki zawierające atomy tlenu, posiadające łańcuchy węglowe o długości od 1 do ponad 100 atomów węgla. Katalizatory kobaltowe pozwalały uzyskiwać mieszaninę węglowodorów, która łatwo mogła być przetwarzana na paliwa. Duże przemysłowe instalacje do syntezy Fischera-Tropscha pracowały w Niemczech w czasie II Wojny Światowej i pracują do dziś w Republice Południowej Afryki (Sasol). W innych rejonach świata otrzymywanie paliw z węgla jest ekonomicznie nieuzasadnione. Warto wiedzieć, że mieszaninę CO i H2 można selektywnie przeprowadzić w metanol w obecności katalizatorów miedziowo-cynkowych lub w metan wobec niklu. Patrz np.:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fischer%E2%80%93Tropsch_process

·         Składniki katalizatora heterogenicznego: czynnik aktywny, nośnik i promotor. Pierwszy składnik odpowiedzialny jest za aktywność katalizatora. Podstawowym zadaniem nośnika jest rozwinięcie powierzchni czynnika aktywnego a także nadanie mu odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej i cieplnej. Promotor modyfikuje katalizator w ten sposób, aby hamować reakcje niepożądane

·         M(C2H4)  = 2 * 12 g/mol  +  4 * 1 g/mol  =  28 g/mol;

w 1 tonie polimeru jest 1000000 g / 28 g/mol = 35714 mol jednostek C2H4;

1 g tytanu to 1/48 mola Ti;

każdy atom tytanu brał udział w 35714 * 48 = 1714272 aktach powiększania łańcucha polimeru.

·         W przypadku braku katalizatora w układzie wydechowym silnika samochodowego do atmosfery wyemitowane zostaną: tlenek węgla(II), niespalone resztki paliwa i oleju smarowniczego (węglowodory) oraz tlenki azotu. CO jest znaną trucizną, atakującą hemoglobinę we krwi, ciężkie węglowodory są prekursorami smogu i zwiększają efekt cieplarniany, natomiast tlenki azotu wrócą do nas w postaci kwaśnego deszczu.

·         Za fioletową barwę roztworu odpowiadają jony manganianowe(VII), czyli MnO4-. Po dodaniu do rozdzielacza katalizatora przeniesienia międzyfazowego TEBA-Cl, czwartorzędowy kation amoniowy transportuje aniony manganianowe(VII) do warstwy benzenowej, stąd jej fioletowe zabarwienie.

SŁOWNIK

termodynamika chemiczna - dział chemii fizycznej zajmujący się zmianami stosunków  energetycznych w układzie, w którym zachodzi reakcja chemiczna.

kinetyka chemiczna – dział chemii fizycznej zajmujący się szybkością reakcji chemicznych.

katalizator – każde ciało, które dodane do reagentów zmienia szybkość reakcji chemicznej i nie występuje w produktach tej reakcji (Ostwald 1895).

Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego w ramach Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki

3