4. Каталіз і каталізатори

Швидкість хімічних реакцій може істотно зростати під дією речовин, які називають каталізаторами.

Явище зміни швидкості реакції за наявності каталізаторів називають каталізом, а реакції за їх участю ‒ каталітичними.

Каталізатор ‒ це проста або складна речовина, що бере участь у хімічній реакції і змінює її швидкість, але в кінці реакції залишається в хімічно незмінному стані.

Каталітичні властивості виявляють перехідні метали та їх сполуки ‒ оксиди, гідроксиди, сульфіди тощо. У багатьох реакціях каталізаторами є йони гідроксонію Н₃О⁺, гідроксид-іони ОН^‒, аміни, амінокислоти та ін. Вони значно прискорюють реакції змінюючи їх механізм. Наприклад, при взаємодії карбон (ІІ) оксиду і водню, залежно від природи каталізатора, утворюються різні продукти ‒ метан або метанол:

У процесі окиснення метану киснем повітря за наявності різних каталізаторів (Кт) можна одержати метанол, формальдегід або мурашину кислоту:

У присутності природних білкових каталізаторів (ферментів або ензімів) відбуваються величезна кількість біоорганічних реакцій.

Речовини, які сповільнюють швидкість хімічних реакцій, називають інгібіторами. Інгібіторами є антиоксиданти ‒ речовини, які гальмують будь-які процеси окиснення різних субстратів молекулярним киснем.

Каталізатори оцінюють за певними критеріями, серед яких до найважливіших належать: активність, специфічність, стійкість до старіння та отруєнь.

Активність каталізатора відносять до певної хімічної реакції і визначають за відношенням швидкостей каталітичної та некаталітичної реакцій. Каталізатор тим активніший, чим більше він знижує величину енергії активації реакції. На активність каталізаторів значно впливають домішки. Одні з них можуть підсилювати, а інші ‒ сповільнювати дію каталізаторів. Речовини, що самі не мають каталітичних властивостей, проте посилюють дію каталізаторів, називають промоторами, або активаторами.

Специфічність (вибірковість) полягає в здатності каталізатора збільшувати швидкість тільки однієї реакції серед інших можливих.

Каталітичні отрути ‒ речовини, які, навіть у незначній кількості, частково або повністю знижують активність каталізаторів, що зумовлено з хімічним руйнуванням проміжних (активованих) комплексів.

У гомогенному каталізі реактанти і каталізатор утворюють однорідну систему.

У гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор перебувають у різних фазах.

Механізм дії каталізаторів

Незалежно від виду каталізу, дія каталізаторів на хімічні і біохімічні реакції має деякі спільні ознаки. Каталізатори скеровують перебіг реакції, знижуючи енергію активації реакції.

З рисунка видно, що енергія активації реакції без каталізатора Е_а(1) більша, ніж за наявності каталізатора Е_а(2). Це пояснюють тим, що за наявності в реакційній системі каталізатора змінюється механізм реакції. Якщо реакція А + В → АВ без каталізатора відбувається в два етапи: А + В → АВ* →АВ, то під впливом каталізатора спочатку утворюється проміжний комплекс речовини А з каталізатором КtА*. Потім, під дією речовини В відбувається руйнування комплексу КtА*, утворення продукту АВ і виділення каталізатора в незмінному вигляді: КtА* + В → КtАВ* → АВ + Кt.

Проміжні комплекси речовини з каталізатором КтА* і КтАВ* характеризуються меншою енергією активації, ніж комплекс АВ* .

У гомогенному каталізі механізм ґрунтується на теорії проміжних сполук, або проміжних комплексів. Прикладом таких процесів є кислотно-основний каталіз, який відбувається в розчинах під дією йонів Н⁺ (Н₃О⁺) або ОН^‒. Вони каталізують реакції омилення естерів, гідроліз жирів, пептидів, крохмалю, інверсію сахарози та ін.

Для гомогенного каталізу характерна вибірковість дії каталізаторів, тобто їх вплив тільки на певні хімічні реакції. Більшість біохімічних процесів, які здійснюються в організмі під дією ферментів, належать до гомогенного каталізу.

Гетерогенний каталіз. Значне число каталітичних процесів відбувається під дією ферментів на межі поділу фаз. Цей вид каталізу відрізняється від гомогенного більш складним механізмом, оскільки реакції відбуваються на твердій поверхні. Активність каталізатора буде залежати від характеру його поверхні, наявності пір, тріщин, дефектів кристалічної ґратки тощо. Для збільшення поверхні тверду речовину подрібнюють. Ефективна поверхня більшості каталізаторів, які використовують у промислових процесах, становить 50-200 м²/г. Каталізатор переважно наносять на поверхню будь-якого поруватого матеріалу, який називають носієм.

Існує декілька теорій гетерогенного каталізу: адсорбційно-деформаційна теорія Менделєєва ‒ Зелінського пояснює механізм гетерогенного каталізу адсорбцією вихідних речовин на поверхні каталізатора, що призводить до збільшення на ній концентрації реагуючих речовин, деформації хімічних зв’язків і утворення лабільних проміжних комплексів, які легко розкладаються на продукти реакції.

Розвиток теоретичних уявлень про механізм дії каталізаторів дає змогу сформулювати раціональні основи, якими керуються при виборі каталізаторів для промислових потреб, а також пояснити механізм дії біокаталізаторів.