Химия и Химики № 5 2012. Каталитическое горение ацетона на медной проволоке

Катализаторы - вещества, которые ускоряют химическую реакцию, но сами в этой реакции не расходуются (в отличие от реагирующих веществ).

Подобно реагирующим веществам катализатор принимает участие в реакции, но в результате нескольких последовательных превращений он опять выделяется в неизменном виде. Схематически это можно изобразить так:

A + K = AK
AK + B = AB + K
где A и B - реагирующие вещества, K - катализатор.

Само явление ускорения химической реакции под действием катализатора называется катализом. Катализ может быть гомогенным - когда реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе или гетерогенным - когда катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах.

Примером гомогенного катализа служит ускорение разложения перекиси водорода растворенными солями металлов (марганца, кобальта, железа, меди и т.д.). Примером гетерогенного катализа - ускорение разложения той же перекиси под действием твердого диоксида марганца. Другие примеры гетерогенного катализа:

каталитическое окисление окиси углерода (угарный газ) в выхлопных газах автомобиля, когда они проходят через платиновый катализатор (платина, нанесенная на пористую керамику);

каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид при промышленном получении серной кислоты (один из вариантов - катализатор, содержащий соединения ванадия);

синтез аммиака из азота и водорода;

каталитическое окисление аммиака на платинородиевом катализаторе (стадия процесса получения азотной кислоты в промышленности);

каталитический крекинг тяжелых нефтепродуктов с целью получения легких моторных топлив;

каталитическое гидрирование ненасыщенных соединений (например, гидрирование ненасыщенных жирных кислот при производстве маргарина).

Несмотря на кажущуюся простоту схемы, приведенной в начале статьи, катализ - довольно сложное явление, которое изучено далеко не исчерпывающе. Особенно это касается гетерогенного катализа.

Наглядной демонстрацией этого служит факт, что существует примерно пять основных теорий катализа. Каждая из теорий хорошо объясняет какой-то фрагмент явления, но не может претендовать на удовлетворительное описание катализа в целом.

Несмотря на отсутствие хорошей теории, в практической реализации гетерогенного катализа нет ничего сложного. Простейшие опыты юные химики легко могут осуществить в домашней лаборатории. В журнале уже были описаны опыты по каталитическому горению уротропина и пропан-бутановой смеси на поверхности оксида хрома:

Беспламенное горение уротропина ссылка
Эксперименты с пропан-бутановой смесью ссылка

В этот раз мы проведем беспламенное горение ацетона на поверхности медной проволочки.

В химический стакан налили немного ацетона (около 1 мл), свернули медную проволоку в спираль, раскалили ее в пламени и быстро опустили в стакан, который к тому времени наполнился парами ацетона. Проволока раскалилась еще больше - до желтого цвета. На поверхности меди происходило каталитическое окисление ацетона, в результате выделялось значительное количество тепла. При желании медную проволоку можно держать в раскаленном состоянии до тех пор, пока не израсходовался ацетон.

Спираль должна быть достаточно плотной (т.е. с небольшим расстоянием между витками). Когда мы попробовали "более разреженную" спираль, эксперимент не вышел, поскольку потери тепла (за счет большого зазора между витками спирали) превысили образование тепла за счет реакции окисления.

Во второй (независимой) серии экспериментов в стаканчик налили несколько миллилитров ацетона, накрыли его чашкой Петри и немного подождали, пока стаканчик наполнится парами ацетона. Взяли медную проволочку средней толщины. Конец проволоки свернули в сравнительно плотный пучок. После этого медь раскалили в пламени горелки и внесли в стаканчик (держали ее близко к поверхности ацетона).

Проволока оставалась в раскаленном состоянии несколько минут. В некоторых случаях были и неудачи: проволока "гасла" значительно раньше.

Смотреть Видео 1 (13 Мб, .avi )
Смотреть Видео 2 (42 Мб, .avi )