Активность и селективность катализатора
Мерой каталитической активности является изменение скорости химической реакции при введении в систему катализатора
,
где
–
скорость реакции в присутствии
катализатора; w –
скорость реакции без катализатора; φ
– доля объема системы, занимаемая
катализатором и не доступная для
реагирующих веществ (в случае гетерогенного
катализа).
Обычно
и
.
Если реакция протекает вблизи состояния равновесия, то за меру каталитической активности принимают скорость протекания процесса в прямом направлении.
Каталитическая активность, отнесенная к массе катализатора – удельная каталитическая активность.
В случае гомогенного катализа удельная каталитическая активность равна числу оборотов катализатора:
,
где
– число оборотов; w –
скорость реакции, моль∙с−1∙м−3;
Ckat–
концентрация катализатора, моль∙м−3.
В гетерогенном катализе удельной каталитической активностью называют каталитическую активность, отнесенную к единице поверхности твердого катализатора:
Активность катализатора зависит от условий проведения процесса: температуры, концентрации реагентов, давления, природы растворителя….
Селективность катализатора – свойство катализатора ускорять химическое превращение только в одном направлении.
Селективность катализатора зависит от условий проведения и степени завершенность процесса. Селективность является важным технологическим свойством катализатора, т.к. ее повышение позволяет уменьшить количество побочных веществ, а значит снизить количество отходов производства и повысить качество конечного продукта.
Различают дифференциальную и интегральную селективность.
Интегральная селективность – доля реагента, превратившегося в целевой продукт.
Дифференциальная селективность – отношение скорости образования целевого продукта к сумме скоростей химического превращения реагентов по всем возможным направлениям.
Каталитические яды – вещества, ослабляющие или прекращающие действие катализатора.
Гомогенный катализ
Все гомогенно-каталитические реакции условно можно подразделить на два типа: кислотно-основные и окислительно-восстановительные + ферментативный катализ.
Кислотно-основной катализ
Механизм кислотно-основного катализа основан на представлениях о кислотно-основных свойствах веществ по Бренстеду-Лоури и по Льюису-Пирсону.
В кислотно-основном катализе выделяют электрофильные и нуклеофильные реагенты.
Электрофильные реагенты являются акцептором электронов, нуклеофильные – донором. Чем более ярко выражены электрофильные одного реагента и нуклеофильные свойства другого, тем больше скорость реакции.
Классификация каталитических реакций кислотно-основного типа
1. Специфический кислотный катализ – реакции, катализируемые только ионами водорода; пример - гидролиз сложных эфиров.
2. Специфический основный катализ – реакции, катализируемые ионами гидроксила; пример – альдольная конденсация.
3. Общий кислотно-основной катализ – реакции, катализируемые кислотами и основаниями Бренстеда
4. Электрофильно-нуклеофильный катализ – реакции, катализируемые кислотами или основаниями Льюиса (акцепторами и донорами электронных пар); пример – реакция Фриделя-Крафтса.