Катализ

Катализ – явление ускорения реакций в присутствии веществ – катализаторов, которые вступают в промежуточное взаимодействие с реагирующими веществами, но не входят в состав продуктов реакции.

Под промежуточным взаимодействием понимают:

= образование реакционноспособного вещества с катализатором,

= участие последнего в образовании активированного комплекса хотя бы в одной из стадий протекания процесса.

Катализатор не входит в состав веществ и продуктов реакции. Следовательно, он не может оказывать влияние на изменение энергии Гиббса реакции. Следовательно, катализатор не влияет на положение химического равновесия, а только изменяет (увеличивает) скорость процесса. В состоянии равновесия катализатор одинаково ускоряет как прямую, так и боратную реакции.

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор и реагирующие вещества образуют единую фазу, чаще всего жидкую, в которой протекает каталитическая реакция. К гомогенным катализаторам относят также ферменты и энзимы – биокатализаторы, под действием которых в живых организмах протекает синтез большинства веществ, необходимых для жизнедеятельности. Гетерогенно-каталитические реакции протекают на границе раздела фаз, образуемых катализатором и реагентами. Наиболее часто в качестве гетерогенных катализаторов используют твердые тела, при этом реагирующие вещества находятся в жидкой или газовой фазе.

Основные принципы каталитического действия

Реакции A+K=AK и AK=B+K

1. Образование промежуточного соединения AK может сопровождаться диссоциацией молекулы одного из реагентов на связанные с активным центром катализатора атомы, каждый из которых в последующих стадиях последовательно присоединяется к молекуле второго реагента, давая продукты реакции.

2. При связывании молекулы одного из реагентов активным центром катализатора прочность разрываемых связей в ней может значительно уменьшиться за счет перераспределения электронной плотности в образующемся комплексе. Образование связи молекул реагентов, например, с ионом переходного металла, обычно обусловлено донорно-акцепторным взаимодействием. При этом молекула реагента может выступать как донор, так и акцептор пары электронов.

3. При образовании промежуточного соединения достигается благоприятное расположение реагирующих групп атомов, при котором происходит необходимое для перераспределения химических связей перекрывание молекулярных орбиталей реагентов, что обеспечивает синхронное протекание разрыва и образования связей в активированном комплексе.

4. Связывание молекулы реагента с активным центром катализатора может увеличить реакционную способность за счет изменения ее суммарного спина.

Перечисленные выше факторы, обеспечивающие воздействие катализатора, могут реализовываться все вместе, но с различным вкладом.

Реакционная способность молекул промежуточного соединения существенно зависит от прочности связи реагент-катализатор. Она не должна быть с одной стороны слишком слабой не будет ускорения реакции, т.к. энергия активации реакции A+K=АK будет очень высокой. С другой стороны она не должна быть слишком прочной, т.к. тогда высокий энергетический барьер будет на стадии AK=B+K (превращения промежуточного соединения в продукты реакции).