3.5 Общие понятия катализа

Катализ – явление изменения скорости химических реакций под воздействием веществ, называемых катализаторами (Kat). Катализатором называют вещество, изменяющее скорость химических реакций, но в результате реакции остающееся без изменения. Если Kat ускоряет химическую реакцию, катализ называется положительным, если замедляет – отрицательным. Отрицательный катализ применяют для подавления нежелательных побочных реакций. Катализаторы в отрицательном катализе – это ингибиторы (ингибиторы коррозии металлов, ингибиторы окисления, полимеризации и т. д.). Различают гомогенный, гетерогенный и биокатализ (ферментативный) катализ.

При гомогенном катализе реагирующие вещества составляют с катализатором одну фазу, например, разложение муравьиной кислоты в присутствии ионов водорода (Н⁺).

В ряде промышленных химических процессов катализатором является поверхность твердого тела, а исходные реагенты в газообразной или жидкой фазе соприкасаются с ней. Этот вид катализа называют гетерогенным. Так, при соприкосновении смеси олефинов (RCH = CH₂) и водорода с платиной (Pt), нанесенной на силикагель SiO₂ (или алюмогель Al₂O₃) идет быстрый процесс гидрирования:

.

Микрогетерогенный катализ имеет место, когда Kat находится в раздробленном (высокодисперсном) состоянии.

В гетерогенных процессах суммарная скорость определяется скоростью одной из трех стадий реакции:

– подвод вещества к поверхности твердой фазы;

– элементарный акт реакции;

– отвод продуктов реакции.

Биокатализ – ускорение биохимических реакций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами. Он составляет основу многих современных технологий получения глюкозы, антибиотиков, витаминов и др.

Как правило, катализаторы обладают специфичностью, т. е. способностью изменять скорость и (или) направление только конкретной химической реакции или группы однофазных реакций. Катализаторы, не обладающие специфичностью, называют универсальными. К ним, в частности, относятся металлы Ni, Pd, Pt, которые катализируют химические процессы окисления, гидрирования и т. п.

Химические процессы являются автокаталитическими, если катализатором служит один из продуктов реакции, поэтому такие процессы ускоряются со временем. Катализатор в равной степени ускоряет прямую и обратную реакции, не влияя на положение равновесия. Наличие в зоне реакции посторонних веществ по-разному отражается на действии катализатора: одни вещества усиливают действие Kat, их называют промоторами или активаторами, например, добавка сульфатов щелочных металлов в сотни раз повышает активность V₂O₅ – катализатора окисления SO₂ в SO₃. Вещества, подавляющие каталитическую активность Kat, называют каталитическими ядами. Примером таких веществ является кислород и его соединения, вызывающие «отравление» железного катализатора.

В настоящее время не существует единой теории катализа. Для описания гомогенного катализа разработана теория промежуточных соединений. Механизм действия Kat согласно этой теории рассмотрим на примере реакции А + В = АВ, медленно протекающей в отсутствии Kat. В присутствии Kat эта реакция проходит в две быстро протекающие стадии: А + Кat = АКat и АКat + В = АВ + Кat. Причиной ускорения катализируемых химических реакций является низкая энергия активации Kat. Катализатор направляет ход реакции через такие промежуточные соединения, образование которых не требует большой затраты энергии на активацию реагентов.

По механизму промежуточного взаимодействия различают окислительно-восстановительный катализ и кислотно-основной катализ. Механизм кислотно-основного катализатора сводится к присоединению или отщеплению протона реагирующими веществами. Ионы водорода способны сильно поляризовать молекулы, ослабляя их связи и увеличивая тем самым реакционную способность.