5. Влияние катализатора на скорость химических реакций

Катализатором называется вещество, ускоряющее реакцию, но в результате ее само остающееся практически неизменным.

Явление изменения скорости реакции под действием таких веществ называется катализом. Реакции, протекающие под действием катализаторов, называются каталитическими.

Вещества, замедляющие скорость реакции, называются ингибиторами.

Все многообразие каталитических процессов можно свести к двум случаям: катализ гомогенный и катализ гетерогенный.

При гомогенном катализе катализатор образует единую фазу с реагирующими веществами, что, в принципе, способствует высокой эффективности действия катализатора, так как реакция идет во всем объеме сосуда, но затрудняет практическое выделение продуктов из реакционной смеси.

Примером гомогенного катализа может служить каталитическое разложение пероксида водорода в водном растворе на воду и кислород. Пероксид водорода в растворе разлагается и сам по себе, без катализатора, но очень медленно. Если же мы смешаем раствор Н₂О₂ с раствором катализатора: бихромата калия оранжевого цвета – то увидим, что пероксид водорода образует с катализатором промежуточные соединения синего цвета, которые затем распадаются с выделением кислорода. В результате реакция ускоряется.

Гомогенный катализ:

.

Что за промежуточные соединения образовались при каталитическом разложении Н₂О₂, какова их роль?

Механизм действия катализатора объясняется теорией промежуточных соединений. Согласно этой теории катализатор (обозначим его К) образует с одним из исходных веществ А промежуточное соединение АК, которое называется активированным комплексом. Далее этот комплекс реагирует с другим исходным веществом В. Ускорение реакции достигается тем, что скорость отдельных реакций во много раз больше скорости реакции А + В = АВ.

Схематически это можно изобразить следующим образом:

А + В = АВ Медленно;

А + К = АК Быстро;

АК + В = АВ + К Быстро.

Остановимся теперь кратко на гетерогенном катализе. В этом случае катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах. Обычно катализатор представляет собой твердое тело, а реагирующие вещества – жидкость или газ. Гетерогенный катализ очень удобен тем, что катализатор не смешивается с реагентами и не возникает проблемы отделения его от продуктов реакции.

Гетерогенный катализ:

Механизм действия гетерогенных катализаторов весьма разнообразны и, как правило, сложны. Действие катализатора в гетерогенных процессах связано с адсорбцией реагирующих веществ на его поверхности. Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами, и они делаются более реакционноспособными.

Механизмы многих каталитических реакций очень сложны и в настоящее время еще неясны. Однако, независимо от механизма действия, роль любого катализатора с точки зрения энергетики реакции сводится к снижению энергии активации реакции без изменения энергии (энтальпии) продуктов (см рис.3)

На рис.3 показано изменение энергии системы реакции, протекающей по некаталитическому и каталитическому механизмам.

АВ^*

Потенциальная энергия системы

без катализатора (1)

АВКат^*

Е

Е_кат с катализатором (2)

А+В

АВ

Ход реакции

Рис.3. Энергетическая диаграмма некаталитической (1) и каталитической (2) реакции А+В =АВ.

Из рис. 3 следует, что разница в энергиях активации реакции при налиии и без катализатора есть не что иное, как энтальпия образования активного комплекса, в состав которого входит катализатор из активного комплекса, состоящего только из исходных веществ.

Как мы уже с вами знаем, энтальпия химической реакции является термодинамической функцией состояния, ее изменение не зависит от механизма реакции, а зависит лишь от начального и конечного состояния системы. Катализатор же, подобно опытному проводнику в горах, прокладывает наиболее быстрый и легкий путь между исходными и конечными продуктами – путь, не требующий преодоления высоких перевалов.

Из рис.3 видно, что снижение активационного барьера в присутствии катализатора в равной степени ускоряет прямую и обратную реакцию. Таким образом, катализатор не изменяет положение химического равновесия, но способствует более быстрому его наступлению.

Кроме способности ускорять реакции, многие катализаторы обладают селективностью, то есть избирательностью. Под влиянием катализатора реакции могут протекать избирательно, то есть с увеличением выхода определенных продуктов. Например, этиловый спирт в присутствии оксидов алюминия и тория разлагается на этилен и воду, а в присутствии оксида магния, никеля, железа, серебра или меди – на уксусный альдегид и воду (см. схему).

Специфичность действия катализаторов позволяет получать разные продукты из одного и того же вещества.

Пример. + H₂O;

C₂H₅OH + H₂O

+ H₂