§ 4. Катализ и катализаторы

Катализом называется изменение скорости реакций с помо­щью особых веществ — катализаторов, которые, участвуя в про­цессе, к концу реакции остаются химически неизмененными.

Действие катализатора основано на образовании между ним и компонентами реакции промежуточных соединений, энергия активации которых существенно ниже энергии акти­вации некаталитической реакции. Иными словами, катализа­тор изменяет механизм реакции и позволяет вести процесс

более выгодным энергетическим путем. Катализ называется положительным, если катализаторы увеличивают скорость реакции, и отрицательным, если скорость реакции уменьша­ется .

Если каталитическим действием обладает один из продук­тов реакции, то процесс называется автокаталитическим.

В зависимости от агрегатного состояния реагирующих ве­ществ и катализатора различают гомогенный и гетерогенный катализ.

В гомогенных каталитических процессах промежуточные соединения находятся в одной фазе с реагирующими вещест­вами. Примером гомогенного катализа в газовой фазе может служить технологический процесс окисления оксида серы (IV) SO₂ в оксид серы (VI) SO₃ под действием оксидов азота:

NO₁NOj

2SO₂ + O₂ " > 2SO₃.

В гетерогенных каталитических процессах промежуточ­ные соединения образуются на поверхности раздела фаз, например синтез аммиака на железном катализаторе:

N₂ + 3H₂S 2NH₃.

Некоторые особенности каталитических процессов явля­ются общими для гомо- и гетерогенного катализа и играют важную роль при подборе катализаторов для определенных целей:

1. Катализаторы в конце реакции сохраняют свой состав и количество неизмененными.

2. Взаимодействие катализаторов с исходными вещества­ми происходит не в стехиометрических соотношениях. Одна массовая часть катализатора может вызвать превращение мил­лиона массовых частей исходных веществ.

3. Катализаторы не влияют на величину константы равно­весия.

4. Катализаторы очень чувствительны к наличию посто­ронних веществ. Вещества, усиливающие действие катализа­тора, называются промоторами, подавляющие его — ядами, или ингибиторами.

5. Большинство катализаторов обладают селективностью (избирательностью действия). Каждый катализатор особенно интенсивно ускоряет одну какую-либо реакцию или группу реакций определенного типа. Например, никель катализирует реакции гидрирования, но не окисления, а оксид ванадия (V), наоборот, является хорошим катализатором реакций окисле­ния, но не гидрирования.

Механизмы каталитических процессов весьма сложны и разнообразны. По характеру промежуточного взаимодей­ствия можно выделить кислотно-основный и окислительно-вос­становительный катализ.

При кислотно-основном катализе ускорение реакций вы­зывается либо ионами гидроксония H₃O⁺, либо гидроксид-ионами. Это, например, процессы омыления эфиров, гидро­лиз крахмала, амидов, ацеталей, инверсия сахарозы и др. При кислотном катализе промежуточное соединение образует­ся за счет перехода протона от молекулы катализатора (кисло­ты) к молекуле одного из реагирующих веществ, которое функ­ционирует как соответствующее сопряженное основание. Если процесс протекает в водном растворе, его можно представить как протолитическую реакцию типа

В + H₃O⁺ , BH⁺ -f H₂O.