7.1. Суть і види каталізу

Каталізом називається збільшення швидкості хімічних реакцій.

Каталізатор багато разів вступає у проміжну хімічну взаємодію з реагентами і при цьому утворюється кількість продукту, яка може перевищувати у тисячі разів масу самого каталізатора.

За фазовим станом реагентів і каталізатора каталітичні процеси розділяють на дві основні групи: гомогенні і гетерогенні.

При гомогенному каталізі і каталізатор, і реагенти знаходяться в одній фазі – газовій або рідкій. При гетерогенному каталізі каталізатор і реагенти або продукти реакції знаходяться у різних фазах. Як правило, застосовують тверді каталізатори.

Перехідним від гомогенного до гетерогенного є мікрогетерогенний, у тому числі ферментативний каталіз, при якому каталізатор знаходиться у колоїдному стані.

Дія каталізатора не зміщає рівновагу, а тільки прискорює досягнення її при даній температурі.

Якщо термодинамічно можливі різні паралельні реакції основної вихідної речовини, то застосування каталізатора, прискорюючого одну з можливих реакцій, дає змогу пригнічувати інші і отримувати такий цільовий продукт, який при некаталітичній реакції не можна отримати.

Дія каталізатора полягає у пониженні енергії активації хімічної реакції. Всі каталітичні реакції, що відбуваються при гомогенному і гетерогенному каталізі, поділяють за типом взаємодії каталізатора з реагуючими речовинами на два основних класи: окислювально-відновні (гомолітичні) і кислотно-основні (гетеро­лі­тичні).

Механізм окислювально-відновного каталізу полягає в обміні електронами між каталізатором і реагентами, який полегшує електронні переходи у реагуючих молекулах. Механізм кислотно-основного каталізу полягає в обміні протонами або йонами між каталізатором і реагуючими молекулами. При цьому проміжні активовані комплекси нестійкі і розпадаються або реагують з іншою молекулою. В обох випадках каталізатор регенерується. До окислювально-відновних відносять реакції окиснення, гідрування, дегідрування. Типовими каталізаторами для окиснювально-відновних реакцій служать метали (Fe, Cu, Ag, Ni, Pt, Pd і ін.) і оксиди металів змінної валентності, зокрема Fе₂О₃, Сr₂О₃, CuO, V₂O₅ і ін. До кислотно-основних відносять реакції: гідратації і дегідратації, гідролізу, полімеризації, поліконденсації, крекінгу, ізомеризації, алкілювання. Типові каталізатори кислотно-основних реакцій – кислоти і основи H₂SO₄, Н₃РО₄, SiO₂, А1₂О₃, NaOH і ін. Складні багатокомпонентні каталізатори можуть одночасно прискорювати як окислювально-відновні, так і кислотно-основні реакції.

Вибіркові (селективні) каталізатори прискорюють одну цільову реакцію з декількох можливих. Особливо важливий такий каталіз у виробництві органічних продуктів, коли селективність каталізаторів дає змогу сильно прискорювати одну корисну реакцію, провести процес при пониженій температурі, пригнічуючи інші можливі реакції. Селективність дії каталізатора можна виразити співвідношенням

де: G_ц – кількість вихідної речовини, що перетворилася у цільовий продукт, моль або кг; G_поб – кількість вихідної речовини, яка перетворилася у побічні продукти, моль або кг; G – загальна кількість вихідної речовини.

Застосовуючи різні селективні каталізатори, можна з одних і тих же речовин отримати різні продукти (наприклад, з ацетилену можна отримати оцтовий альдегід або ацетон).

Автокаталітичними називаються реакції, в яких каталізатором є один з проміжних або кінцевих продуктів реакції. Так, у ланцюгових реакціях автокаталізаторами служать вільні радикали. До числа автокаталітичних належать деякі реакції розкладу вибухових речовин, горіння, полімеризації і ін.

Для автокаталізу характерна мала швидкість реакцій у початковий період (період індукції) і швидке наростання виходу продукту у подальший період внаслідок зростання кількості каталізатора. Надалі вихід продукту збільшується згідно із законом діючих мас, так само як і для звичайних реакцій.

Для збудження ланцюгових реакцій у вихідну суміш додають ініціатор, який, реагуючи з вихідною речовиною, викликає зародження ланцюга, тобто утворення перших вільних радикалів, і таким чином прискорює реакцію подібно до дії каталізатора. Однак ініціатори на відміну від каталізаторів витрачаються у процесі реакції.