2.7.Катализ

Процесс увеличения скорости химической реакции при постоянной температуре под действием дополнительных веществ – катализаторов, не расходующихся при протекании реакции и не входящих в состав продуктов, называется катализом. Вещества, замедляющие реакции, называются ингибиторами, катализаторы биохимических реакций – ферментами.

Катализаторы, ускоряя химическую реакцию, не влияют на положение термодинамического равновесия, т. е. на константу равновесия (уменьшается только время прихода реакции в состояние равновесия, но не изменяются равновесные концентрации).

Если в системе имеется термодинамическая возможность осуществления параллельных реакций, приводящих к образованию различных продуктов, то за счет увеличения скорости одной из них при помощи катализатора можно получить преимущественный выход определенного продукта из ряда возможных.

В зависимости от того, в каких фазах находятся катализатор и реагирующие вещества, различают гомогенный и гетерогенный катализ.

2.7.1.Гомогенный катализ

Исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой). В ходе протекания гомогенной реакции образуется неустойчивое промежуточное соединение катализатора с реагирующими веществами, которое затем распадается с регенерацией катализатора. Роль катализатора сводится к изменению пути химического процесса, заключающегося в замене одной реакции с большей энергией активации двумя другими с меньшей (рис.2.14). Это приводит к тому, что при той же температуре процесс протекает с большей скоростью.

Пример. Реакция окисления диоксида серы кислородом протекает по уравнению

2SO₂ + O₂  2SO₃.

Добавление в систему окиси азота приводит к существенному возрастанию скорости образования триоксида серы за счет протекания процесса через две промежуточные стадии:

O₂ + 2NO  2NO₂, 2SO₂ + 2NO₂  2SO₃ + 2NO.

Рис. 2.14. Энергетическая диаграмма гомогенного катализа

2.7.2.Гетерогенный катализ

Реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Реакция протекает на поверхности раздела фаз. Как правило, катализатор является твердым веществом. Его роль заключается в «концентрировании» реагентов или (и) «активации» реагирующих молекул. Концентрирование реагентов – увеличение вероятности встречи молекул благодаря тому, что за счет процессов адсорбции молекулы реагентов фиксируются на поверхности катализатора. В адсорбированных молекулах, в результате взаимодействия с кристаллической решеткой катализатора, могут разрываться или ослабляться отдельные химические связи – «активация» молекул, что облегчает их химическое взаимодействие.

Поскольку в гетерогенном катализе процесс развивается на поверхности катализатора, то ее площадь играет существенную роль. Поэтому гетерогенные катализаторы должны иметь большую удельную поверхность. Например, с этой целью и для экономии дорогостоящих веществ благородные металлы (Pt, Pd, Rh и т. д.), обладающие высокой каталитической активностью, наносят на поверхность адсорбентов.

Пример. Каталитическое окисление водорода кислородом на платиновом катализаторе: 2H₂ + O₂ + Pt  2H₂O + Pt. Молекулярный водород адсорбируется на поверхности платины, при этом происходит его диссоциация на атомы (H₂2H^). Оба процесса способствуют протеканию реакции окисления.