22. Сущность и виды катализа. Гомогенный катализ. Влияние катализатора на скорость реакций.

Каталитические процессы в настоящее время составляют основу химической технологии. Причем область их применения расширяется: около 90 % новых производств, освоенных за последние годы химической промышленностью, основаны на взаимодействии, протекающем в присутствии катализаторов.

Под катализом понимают изменение скорости химических реакций под воздействием веществ – катализаторов, которые, участвуя в процессе, остаются после его окончания химически неизменными. Катализ называется положительным, если катализатор ускоряет реакции, и отрицательным, если скорость реакции под воздействием катализатора снижается. Применение катализаторов облегчает практическое осуществление многих химических реакций; скорость некоторых из них увеличивается в тысячи и даже миллионы раз. Очень многие промышленные процессы удалось осуществить только благодаря применению катализаторов.

К числу каталитических процессов относятся важнейшие крупнотоннажные производства, например, такие как получение водорода, аммиака, серной и азотной кислот и многих других важнейших химических продуктов. Особенно велико и разнообразно применение катализа в технологии органических веществ и в производстве высокомолекулярных соединений.

Отрицательный катализ применяется значительно реже: катализаторы замедляющие скорость процесса называют также ингибиторами. Катализаторами могут быть вещества, находящиеся в любом из трех агрегатных состояний. К твердым катализаторам можно отнести металлы и их оксиды, например, железо Fe при синтезе аммиака, платину Pt при окислении аммиака, оксид ванадия V₂O₅ при окислении SO₂, Al₂O₃прикрекинге нефтепродуктов и др.

Жидкими катализаторами служат обычно кислоты и основания, например, серная кислота H₂SO₄ и фосфорная кислота Н₃РО₄ применяются при алкилировании ароматических углеводородов, при изомеризации н-бутилена в изобутилен и др.

Примером газообразных катализаторов может служить BF₃ в процессах полимеризации некоторых углеводородов.

Каталитические процессы можно разделить на две группы: гомогенные и гетерогенные. В гомогенно-каталитических реакциях реагирующие вещества и катализатор составляют одну фазу, а в гетерогенно-каталити-ческих реакциях – разные фазы. В особую группу выделены микрогетерогенные и ферментативные каталитические процессы. Микрогетерогенный катализ происходит в жидкой фазе с участием коллоидных частиц металлов в качестве катализаторов. Ферментативный катализ наблюдается в биологических системах с участием сложных комплексов (часто белковой природы), называемых ферментами.

Учение о катализе представляет очень интересную и увлекательную область знаний, имеющую исключительно большое практическое значение. В настоящее время в мире проводятся очень широкие и глубокие исследования в области изучения каталитических процессов, этим заняты десятки тысяч ученых.

Гомогенные каталитические процессы широко распространены в природе. Синтез белков и обмен веществ в биологичесих объектах совершается в присутствии биокатализаторов – ферментов. Примером промышленных гомогенных каталитических процессов могут служить реакции этерификации и омыления сложных эфиров, окисление метана до формальдегида с помощью оксидов азота, алкилирования парафинов или бензола олефинами в присутствии трифторида бора или фтороводорода и т.п.

Механизм каталитического действия при гомогенном катализе заключается в образовании между реагирующими веществами и катализатором промежуточных соединений, которые иногда удается выделить или обнаружить аналитически. Ускорение процессов при участии катализа торов происходит за счет снижения энергии активации в результате образования промежуточного продукта по сравнению с энергией активации образования некаталитического гомогенного активного комплекса.

Гомогенный катализ может протекать в газовой или жидкой фазе при соответствующем состоянии катализатора 

Катализаторы - это вещества, которые повышают скорость химической реакции. Они вступают во взаимодействие с реагентами с образованием промежуточного химического соединения и освобождается в конце реакции.

Влияние, оказываемое катализаторами на химические реакции, называется катализом.По агрегатному состоянию, в котором находятся катализатор и реагирующие вещества, следует различать:

гомогенный катализ (катализатор образует с реагирующими веществами гомогенную систему, например, газовую смесь);

гетерогенный катализ (катализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах; катализ идет на поверхности раздела фаз).

Механизм действия катализаторов объясняется образованием промежуточных соединений. Например, механизм действия катализатора К в реакции А + В = АВ можно схематически показать так:

А + К = АК АК + В = АВ + К

А + В = АВ (АК - промежуточное соединение).

В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция, поэтому изменяется ее скорость. Например: 2SO2 + O2 = 2 SO3 (медленно);

2SO2 + O2 = 2 SO3 (присутствии катализатора NO - быстро).

Механизм: 2 NO + O2 = 2 NO 2 (быстро)

NO2 + SO2 = SO3 + NO (быстро). NO - катализатор, NO 2 - промежуточное соединение.

Энергия активации существенно меньше, следовательно скорость реакции возрастает.