§ 28. Основные свойства катализаторов и факторы, влияющие на катализ.

Характерной особенностью катализаторов является их избирательность, «специфичность», т. е. способность действовать уско­ряюще только на опреде

ленную реакцию или группу реакций. Осо­бенно ярко проявляется специфичность у ферментов. Так, фермент, действующий на сахарозу, не гидролизует крахмал.

Иногда применение разных катализаторов приводит к образова­нию совершенно различных продуктов из одних и тех же исходных веществ. В этом случае каждый катализатор вызывает ускорение реакции только в одном из возможных направлений. Например, ре­акция взаимодействия оксида углерода с водородом может идти по следующим направлениям в зависимости от применяемого катализатора:

При использовании в качестве катализатора меди и давлении в пределах 30—40 МПа продуктом реакции будет метиловый спирт (2). При применении в качестве катализатора никеля и температу­ре 523 К реакция будет идти по пути образования метана (4). Если же помимо меди и давления в 30—40 МПа в систему добавить ще­лочь, то продуктами реакции явятся высшие спирты (3).

Теория избирательного действия катализаторов еще не изучена в должной мере. Можно лишь предполагать, что оно зависит в ка­кой-то мере от соответствия между расстояниями атомов в молекуле и активными центрами на поверхности катализатора.

Важным условием катализа является то, что для успешного про­ведения реакции количество катализатора обычно бывает очень невелико по сравнению с количеством реагирующих веществ. Так в производстве серной кислоты на 1 мас. ч. катализатора превра­щается 10⁴ мас. ч. реагирующих веществ, а в производстве азотной кислоты окислением аммиака на 1 мас. ч. катализатора превраща­ется 10⁶ мас. ч. исходных веществ. Для заметного ускорения процес­са окисления Na₂SO₃ в водном растворе достаточно добавить в качестве катализатора CuSO₄ в концентрации порядка 10^-12.

Важной отличительной чертой катализаторов является их спо­собность снижать энергию активации катализируемой реакции.

В присутствии катализатора образуют промежуточные продукты реакции, в силу чего процесс может протекать при более низкой энергии активации. Причины снижения энергии активации при ка­талитических процессах во многом еще остаются невыясненными. Опыт показывает, что для разложения пероксида водорода на воду и кислород без катализатора требуется энергия активации 75,312 кДж/моль, при использовании в качестве катализатора кол­лоидной платины энергия активации понижается до 48,953 кДж/моль, а при действии фермента каталазы — до 23,012 кДж/моль.

Большое влияние на скорость каталитической реакции оказы­вает степень дисперсности катализатора. Увеличение активности катализатора с повышением степени дисперсности его происходит до определенного предела, затем она начинает падать. Объясняет­ся это тем, что при дальнейшем увеличении степени дисперсности катализатора исчезает гетерогенность системы (вместо коллоид­ного раствора образуется истинный).

Помимо степени дисперсности, на активность катализаторов большое влияние оказывают и другие факторы. Рассмотрим каж­дый из них в отдельности.

Влияние температуры. С повышением температуры скорость ка­талитических реакций увеличивается. Повышение температуры ока­зывает влияние не только на активность катализаторов, но иногда и на направление каталитической реакции.

Каждый катализатор проявляет свою максимальную актив­ность в той или иной химической реакции при определенной темпе­ратуре. Отклонения от этой температуры как в ту, так и в другую сторону снижают активность катализатора. Вот почему при экзо­термических каталитических процессах, осуществляемых в условиях производства, необходимо все время заботиться об отводе избытка тепла.

Биологические катализаторы — ферменты — также весьма чув­ствительны к изменению температуры в силу своей белковой при­роды.

Влияние давления. Как показывает опыт, скорость некоторых каталитических реакций весьма существенно зависит и от давле­ния. Особенно это характерно для реакций, идущих с изменением объема. Увеличение давления положительно сказывается на скоро­сти таких реакций. Некоторые каталитические реакции вообще не могут идти при нормальном давлении, например реакции синтеза высших спиртов и др.

В ряде случаев каталитические реакции, протекающие и без уменьшения объема, увеличивают свою скорость при повышении давления, что, по-видимому, связано с увеличением числа эффектив­ных столкновений реагирующих молекул.

Влияние растворителя. В зависимости от природы растворителя скорость каталитических реакций может довольно заметно изме­няться. Полная исчерпывающая теория этого явления в настоящее время еще не разработана. Можно лишь предполагать, что раство­ритель каким-то способом активизирует молекулы реагирующих веществ, делает их более реакционноспособными. При этом боль­шое значение имеет полярность молекул растворителя, под влияни­ем которой молекулы реагирующих веществ переходят в более активную ионизированную форму.