6.6 Каталіз

Зміну швидкості хімічної реакції у присутності додаткових речовин – каталізаторів, називають каталізом.

Каталізатори – це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, але самі внаслідок реакції залишаються незмінними. Каталізатори частіше за все прискорюють реакцію. У цьому випадку каталіз називають позитивним. Каталізатори, які уповільнюють хід хімічного процесу, називають інгібіторами (каталіз негативний).

Каталіз може бути гомогенним та гетерогенним. У першому ви­падку реагуючі речовини та каталізатор знаходяться в одній фазі (газ, розчин), у другому – в різних (тверда речовина у розчині або газі).

Для каталізаторів характерна специфічність дії: кожний ката­лізатор здатний впливати не на будь-яку реакцію, а лише на пев­ну, або на групу реакцій, схожих за механізмом.

Механізм гомогенного каталізу пояснюють теорією проміжних сполук. Згідно з цією теорією каталізатор взаємодіє з однією із вихідних речовин, утворюючи нестійку хімічну сполуку, яка енер­гійно взаємодіє з іншою вихідною речовиною реакційної суміші, а каталізатор відновлюється до початкового стану.

Так, хімічний процес, який можна схематично зобразити рівнянням:

А + В = С (а),

перебігає повільно (а). Під впливом каталізатора К він поділяється на дві стадії: А + К = АК перебігає швидко (б), АК + В = АВ + К перебігає швидко (в). АК – проміжна сполука. Швидкість реакції стадій (б) і (в) у багато разів більша за швидкість процесу (а), оскільки кожна з цих стадій характеризується меншою енергією активації, ніж для процесу (а). Енергетична діаграма перебігу реакції при відсутності (крива 1) та наявності каталізатора (крива 2) наведена на рисунку 6.4.

Величина ΔЕ_кат вказує на зниження енергії активації хімічної реакції під впливом каталізатора.

Рисунок 6.4 – Енергетична схема перебігу реакції при відсутності та наявності каталізатора

Енергія активації входить у показник степеня з від’ємним знаком, і тому навіть незначна її зміна приводить до значного збільшення швидкості реакції.

За своїм агрегатним станом каталізатори можуть бути твердими (Pt, Fe, Co, Ni, V₂O₅), рідкими і газоподібними (NO₂). Каталітичні процеси поділяють на гомогенні і гетерогенні.

При гомогенному каталізі всі реагуючі речовини і каталізатор утворюють одну фазу (газоподібну або рідку). Прикладом гомогенного каталізу є окиснення CO в газоподібній фазі при наявності пари води як каталізатора. Добування сульфатної кислоти баштовим методом засноване на гомогенній каталітичній реакції:

2NO + O₂ = 2NO₂

H₂SO₃ + NO₂ = H₂SO₄ + NO,

яка може відбуватися, як у рідкій, так і в газоподібній фазі.

При гетерогенному каталізі каталізатор утворює самостійну, як правило, тверду фазу, на поверхні якої відбуваються каталітичні процеси. Прикладом гетерогенного каталітичного процесу є окиснення SO₂ до SO₃ на поверхні V₂O₅.

Важливою особливістю каталітичних процесів є специфічність дії каталізатора. Крім каталізаторів, здатних прискорювати лише одну реакцію, є каталізатори, які прискорюють цілу групу аналогічних реакцій. Наприклад, платина, нікель і паладій досить добре каталізують реакції приєднання водню. Залежно від природи каталізатора взаємодію тих самих речовин можна спрямувати у різних напрямках. Так, при наявності А1₂О₃ метиловий спирт розкладається на Н₂О і С₂Н₂, а при наявності залізомідного каталізатора СН₃ОН утворює альдегід і водень.

Каталітичні процеси мають велике практичне значення. Значна частина продуктів сучасної хімічної промисловості виробляється на основі каталітичних реакцій. До каталітичних процесів належать синтез амоніаку (каталізатор залізо), окиснення SO₂ до SO₃ (каталізатор V₂O₅), окиснення NH₃ до NO (каталізатор платина), добування поліетилену та інших полімерних матеріалів.

Велику роль відіграють каталізатори у фізіологічних процесах, що відбуваються в рослинних і тваринних клітинах. Як каталізатори в живих клітинах виступають різні ферменти.