6.1.7. Зависимость скорости реакции от катализатора

Катализаторы – вещества, не расходующиеся в результате протекания реакции и не входящие в состав конечных продуктов реакции, но увеличивающие скорость реакции. Катализаторы могут  участвовать в образовании промежуточных продуктов реакции, но к концу реакции они полностью регенерируются.

Явление изменение скорости под действием катализатора называется катализом, а реакции - каталитическими.

Теория каталитических реакций основана на следующих положениях:

а) катализ применим для реакций, в которых для данных условий энергия Гиббса отрицательна (G < 0);

б) в присутствии катализатора изменяется механизм реакции, она протекает через новые стадии с невысокой энергией активации;

в) при катализе не изменяется тепловой эффект реакции;

г) для обратимых реакций катализатор не влияет на равновесие, не меняет константы равновесия и равновесных концентраций;

д) катализатор действует селективно (избирательно).

В настоящее время общепризнано, что катализаторы уменьшают полную энергию активации процесса, т.к. каталитический процесс идет по другому пути, через другое переходное состояние, с образованием других промежуточных частиц. Активированный комплекс с участием катализаторов, имеет меньшую энергию, чем комплекс без катализаторов, поэтому энергия активации каталитической реакции ниже, чем энергия некаталитической реакции, т.е. Е_а > Е_ак. (рис.19).

Различают гомогенный и гетерогенный катализ.

6.1.8. Гомогенный катализ

Катализаторы, которые находятся в системе в том же фазовом состоянии, что и реагенты, называются гомогенными. Механизм гомогенного катализа можно объяснить на основе теории промежуточных соединений. Большой вклад в развитие этой теории внесли П. Сабатье (Франция) и Н.Д. Зелинский (Россия). Согласно этой теории, катализатор образует с реагентами промежуточные соединения. Это приводит к уменьшению энергии активации реакции. Например, реакция:

АВ + D → A…B…D → A + BD

в присутствии катализатора К может проходить по схеме:

D + K D…KDK

DK + AB A…B…D…K → A + BD + K

Катализатор, как видим, не входит в продукты и не изменяет своего состава.

Примером каталитической гомогенной реакции является процесс окисления оксида углерода в присутствии паров воды:

2СО + О₂ 2СО₂.

6.1.9. Гетерогенный катализ

Если катализаторы и реагенты находятся в разных фазах и имеют границу раздела, то катализ называется гетерогенным. Катализатор является твердым веществом, а реагирующие вещества – газы или жидкости. Реагирующие молекулы адсорбируются на поверхности катализатора, и за счет ориентации определенным образом и ослабления внутримолекулярных связей снижается энергия активации и увеличивается скорость реакции.

Пусть в отсутствии катализатора протекает реакция

А + В = АВ^* = Продукты,

а в присутствии катализатора скорость ее возрастает, но продукты остаются теми же. Если считать, что активное адсорбционное состояние аналогично активированному комплексу АВ некаталитической реакции, то весь процесс можно изобразить следующим образом.

1. Адсорбция исходных веществ на поверхность катализатора:

А + В + Кт = АВКт

Как правило, этот процесс экзотермический.

2. Перевод адсорбированного состояния в активное:

АВКт = АВКт*

Этот процесс требует затраты энергии, называемой истинной энергией активации.

3. Реакция в адсорбированном состоянии с образованием адсорбированных конечных продуктов:

АВКт* = Продукты Кт

4. Десорбция продуктов реакции, приводящая к регенерации катализатора:

Продукты Кт = Продукты + Кт

Таким образом, и в гетерогенном катализе ускоряющее действие катализатора, так же как и в гомогенном катализе, связано с тем, что реагирующие вещества образуют промежуточные соединения, что приводит к снижению энергии активации.