3.4 Катализ в химических реакциях

Одним из наиболее распространенных методов регулирования скоростей реакций является применение катализаторов.

Катализаторы – это вещества, которые активно участвуют в промежуточных стадиях реакции, изменяют скорость суммарного процесса, но в продуктах реакции обнаруживаются в неизменном состоянии.

Изменение скорости реакции в присутствии катализаторов называется катализом, а сами реакции – каталитическими реакциями.

Существует два подхода к классификации каталитических реакций.

1. По наличию границы раздела фаз различают:

– гомогенный катализ, когда реагенты, катализатор и продукты реакции находятся в объеме одной фазы;

– гетерогенный катализ, когда катализатор и реагирующие вещества с продуктами реакции находятся в различных фазах; часто катализатор образует твердую фазу, а реагенты и продукты находятся в жид-кой фазе или в газовой фазе.

2. По характеру изменения скорости реакции бывает:

– положительный катализ, при котором катализатор увеличивает скорость реакции;

– отрицательный катализ (ингибирование), при котором катализатор (ингибитор) замедляет скорость реакции;

– автокатализ, когда роль катализатора играет продукт реакции; например, при гидролизе сложного эфира

СН₃СООСН₃ + Н₂О СН₃СООН + СН₃ОН

образующаяся в результате реакции уксусная кислоты отщепляет ион водорода, который начинает играть роль катализатора реакции гидролиза. Поэтому сначала медленно протекающая реакция со временем имеет все более увеличивающуюся скорость.

Для объяснения механизма каталитических реакций предложена теория промежуточных соединений. Согласно этой теории при положительном катализе катализатор (К) с большой скоростью образует с одним из реагентов промежуточное соединение, которое также быстро взаимодействует со вторым реагеном:

А + В D ( медленно)

1) А + К АК (быстро)

2) АК + В D + К (быстро)

Из рисунка 4а видно, что энергия активации некаталитического процесса намного больше, чем энергии активации первой и второй стадий каталитического превращения. Таким образом, при положительном катализе роль катализатора заключается в снижении энергии активации реакции.

Путь реакции а)

Путь реакции а) Путь реакции б)

Рисунок 4 Энергетические диаграммы каталитической реакции (а) и

ингибированной реакции (б)

В реакциях ингибирования ингибитор (I) с высокой скоростью образует прочное промежуточное соединение (АI), которое очень медленно превращается в продукт реакции:

А + В D (медленно)

1) А + I AI (очень быстро)

2) AI + В D + I (очень медленно)

Из рисунка 4б видно, что первая стадия ингибирования по сравнению с неингибированным процессом имеет более низкую энергию активации и протекает очень быстро. В то же время энергия активации второй стадии ингибирования намного больше, чем неингибированной реакции. Таким образом, в ингибированных реакциях роль ингибитора заключается в увеличении энергии активации реакции.