9. Каталитические реакции

9.1 Особенности и классификация каталитических процессов

Каталитическими называются реакции, протекающие с участием катализаторов - веществ, не входящих в стехиометрическое уравнение и остающихся после реакции химически неизменными. Катализаторы вступают в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции, промежуточные вещества включаются в состав активного комплекса, а после реакции вновь выделяются. Катализаторы сильно влияют на скорость реакций, увеличивая ее в случае так называемого положительного катализа и понижая в случае отрицательного. Вещества, в присутствии которых скорость уменьшается, обычно называются ингибиторами. Иногда катализатором может быть один из продуктов реакции. Такая реакция называется автокаталитической

Каталитические реакции чрезвычайно распространены в природе и часто используются в промышленности. Большинство биологических процессов катализируется и регулируется особыми веществами - ферментами. Промышленные реакции полимеризации, крекинга нефти, синтеза и других продуктов - преимущественно каталитические.

При гомогенном катализе катализатор и все реагирующие вещества составляют одну общую фазу.

При гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных фазах, а каталитическая реакция протекает на поверхности раздела фаз.

Отметим некоторые общие свойства катализаторов. Катализатор не влияет на положение термодинамического равновесия, т. е. на величину константы равновесия. Поэтому можно добиться значительной скорости экзотермических обратимых реакций при невысоких температурах (такие реакции протекают тем полнее, чем ниже температура, но без катализатора недостаточно быстро).

Катализаторы обладают избирательностью (селективностью) действия, т. е. каждый катализатор может преимущественно ускорять лишь некоторые реакций. Во многих случаях исходные вещества способны реагировать в различных термодинамически допустимых направлениях. Применяя селективно действующий катализатор, можно осуществить превращение только по одному какому-либо направлению.

Для заметного каталитического действия обычно достаточно очень малого количества катализатора. Одна молекула катализатора может «заставить» вступить в реакцию миллионы молекул реагирующих веществ в секунду. В гомогенном катализе скорость реакции чаще всего пропорциональна концентрации катализатора. Влияние катализатора на скорость реакции характеризуется удельной каталитической активностью; за меру которой принимается скорость реакции в присутствии катализатора, отнесенная в гомогенном катализе к единице количества катализатора, а в гетерогенном - к единице поверхности катализатора. Механизм действия катализаторов может быть очень сложным. Но всегда в присутствии катализатора реакция идет иначе, чем без него, через образование ряда промежуточных соединений. В каталитической реакции энергия активации даже самой медленной стадии меньше энергии активации некаталитической реакции, и общая скорость процесса возрастает. Так как энергия активации входит в показатель степени в уравнении Аррениуса, то даже сравнительно небольшое ее_: понижение ведет к сильному увеличению скорости.

Кроме изменения энергии активации присутствие катализатора может вызывать зарождение цепных реакций, облегчать необходимую ориентацию сталкивающихся молекул реагентов, приводить к замене трудно осуществимых стадий с тройными столкновениями на более вероятные стадии с двойными столкновениями и др.