8.3 Гомогенний і гетерогенний каталіз

Існують речовини, при введенні яких в реакцію вона прискорюється. Після закінчення реакції такі речовини вивільняються кількісно, але якісний склад їх не змінюється. Речовини, які прискорюють хімічні процеси, називаються каталізаторами, а явище – каталізом.

Каталіз відіграє дуже велику роль у природі і техніці. Підбираючи відповідним чином каталізатори, можна вести процеси в потрібному напрямку з бажаною швидкістю. Розрізняють гомогенні (однорідні) каталітичні процеси, в яких і каталізатор і реагуючі речовини утворють однорідні системи і гетерогенні – якщо каталізатор і реагуючі речовини розділяються поверхнею поділу.

Прикладом гомогенних каталітичних реакцій є омилення естерів, які прискорюються кислотами, розкладання пероксиду водню під дією йонів важких металів (Cu²⁺, Ni²⁺, Co²⁺ тощо) у розчині. Синтез білків і обмін речовин у біологічних об’єктах відбуваються в присутності біокаталізаторів, що одержали назву ферментів, або ензимів.

Хімічні процеси зазвичай відбуваються через проміжний активний стан. У випадку гомогенних каталітичних реакцій таким перехідним станом є утворення проміжного комплексу, найчастіше – сполуки одної з вихідних речовин з каталізатором.

Розглянемо для прикладу зміну потенційної енергії реакції, що проходить за схемою:

A + B → AB* → C + ...

У присутності каталізатора К реакцію можна представити у вигляді послідовності стадій, перша з яких полягає у взаємодії між каталізатором і одним з реагентів з утворенням проміжної сполуки АК:

Далі сполука АК, що утворилася, взаємодіє з другим компонентом реакції В, утворюючи активований комплекс (АВ* )К :

Нарешті, в останній стадії відбувається розпад активованого комплексу з утворенням кінцевих продуктів і регенерацією каталізатора:

Згідно з теорією активованого комплексу швидкість реакції визначається швидкістю реакції розпаду активованого комплексу на продукти реакції.

Для некаталітичного процесу зміна потенційної енергії в ході реакції має вигляд, представлений кривою 1 (рис. 8.2).

Рисунок 8.2 – Потенціальні криві для некаталітичного (1) та каталітичного (2) процесів

У каталітичному процесі спочатку відбувається утворення проміжної речовини, в результаті чого потенційна енергія системи буде відрізнятися від вихідного стану на теплоту утворення речовини АК; потім утвориться активований комплекс (АВ*)К (крива 2), енергія якого відповідає висоті потенційного бар’єра, після чого розпад (АВ*)К приводить до кінцевого стану по енергії, що збігається з таким для некаталітичного процесу.

Енергія активації при використанні активних каталізаторів знижується в порівнянні з енергією активації процесу, що протікає у відсутності каталізатора, приблизно на 40 кДж/моль і більше. Наприклад, при температурі 573 К швидкість каталітичної реакції перевищує швидкість реакції у відсутності каталізатора приблизно у ≈ 2,5 рази.

Для пояснення гетерогенного каталізу використовують адсорбційну теорію каталізу. Згідно цієї теорії хімічні реакції відбуваються, коли молекули реагуючих речовин адсорбуються (поглинаються) поверхнею каталізатора. Через адсорбцію концентрація реагуючих речовин на поверхні каталізатора значно зростає, що приводить до збільшення числа зіткнень між молекулами, а отже, і до збільшення швидкості реакції. Однак саме по собі підвищення концентрації компонентів хімічної реакції на сильно розвиненій поверхні каталізатора ще не може пояснити його більшу ефективність. Тому вважають, що адсорбція на поверхні каталізатора молекул реагуючих речовин приводить до підвищення їхньої активності. Каталізатор послабляє зв’язки між атомами молекул, що вступають в реакцію, відстані між атомами збільшуються, молекули деформуються, а іноді навіть дисоціюють на окремі атоми.

Застосування каталізаторів дозволяє інтенсифікувати багато технологічних процесів, здійснювати їх при нижчих температурах. Тому значення каталізу для хімічної промисловості є дуже важливим.