- •Часть II
- •Раздел IV. Химическая кинетика и катализ
- •Двусторонние и односторонние (обратимые и необратимые) реакции
- •Кинетическая классификация реакций. Молекулярность и порядок реакций
- •Необратимые реакции первого порядка
- •Необратимые реакции второго порядка
- •Необратимые реакции n-го порядка
- •Реакции нулевого порядка
- •Сложные реакции: обратимые, параллельные, последовательные
- •Обратимые реакции первого порядка
- •В момент равновесия скорости прямой и обратной реакций одинаковы:
- •Обратимые реакции второго порядка
- •В общем виде
- •Параллельные реакции
- •Последовательные реакции
- •Методы определения порядка реакций
- •Влияние температуры на скорость реакции
- •Применение теории столкновений к бимолекулярным реакциям. Расчет константы скорости
- •Типы бимолекулярных реакций
- •Теория активного комплекса (переходного состояния)
- •Обрыв цепи
- •Длина цепи и ветви
- •Кинетика неразветвленных цепных реакций
- •Разветвленные цепные реакции
- •Тепловой взрыв
- •Сопряженные реакции
- •Основные законы фотохимии. Квантовый выход
- •Основные типы фотохимических процессов
- •Зависимость скорости фотохимических реакций от температуры
- •Мономолекулярные и тримолекулярные реакции. Реакции в растворах Мономолекулярные реакции в газовой фазе
- •Тримолекулярные реакции в газовой фазе
- •Реакции в растворах
- •Методы изучения кинетики сложных реакций
- •Общие сведения о катализе. Гомогенный катализ. Катализ кислотами и основаниями Общие сведения о катализе
- •Гомогенные каталитические реакции
- •Общая схема расчета кинетики гомогенных каталитических реакций
- •Катализ кислотами и основаниями
- •Активационный процесс в гетерогенных реакциях
- •Активированная адсорбция
- •Кинетика гетерогенных каталитических реакций
- •Истинная и кажущаяся энергия активации гетерогенных химических реакций
- •Теория активных центров в гетерогенном катализе Отравление катализатора
- •Роль поверхности и пористость катализатора
- •Связь между энергией активации и предэкспоненциальным множителем
- •Недостаточность модели однородной поверхности в катализе и адсорбции
- •Мультиплетная теория катализа
- •Теория активных ансамблей
- •Электронные представления в гетерогенном катализе
- •Раздел V. Электрохимия
- •Предмет электрохимии
- •Проводники первого и второго рода
- •Электрохимические реакции
- •Законы электролиза (законы Фарадея)
- •Теория электролитической диссоциации Аррениуса
- •Недостатки теории Аррениуса
- •Причины диссоциации. Сольватация и гидратация Теплоты сольватации (гидратации)
- •Экспериментальные теплоты гидратации ионов
- •Модельные методы расчета энергии гидратации ионов
- •Энтропия сольватации ионов
- •Состояние ионов в растворах. Число сольватации
- •Распределение ионов в растворе
- •Теория электролитов Дебая и Гюккеля
- •Сопоставление теории Дебая – Гюккеля с опытом
- •Дальнейшее развитие теории
- •Удельная и эквивалентная электропроводность
- •Влияние природы растворителя на электропроводность
- •Подвижность ионов
- •Подвижность ионов гидроксония и гидроксила
- •Связь между подвижностью ионов и их концентрацией
- •Зависимость подвижности ионов от температуры
- •Числа переноса ионов
- •Диссоциация воды. РН растворов
- •Диссоциация слабых электролитов
- •Гидролиз солей
- •Буферные растворы
- •Амфотерные электролиты
- •Произведение растворимости
- •Гальванические элементы. Эдс
- •Термодинамика гальванического элемента
- •Измерение эдс
- •Строение границы электрод-раствор. Двойной электрический слой
- •Теория конденсированного двойного слоя Гельмгольца
- •Теория диффузного двойного слоя Гуи – Чапмана
- •Адсорбционная теория Штерна
- •Дальнейшее развитие теории строения дэс
- •Электродный потенциал
- •Стандартный электродный потенциал
- •Классификация электродов
- •Электроды первого рода
- •Электроды второго рода
- •Газовые электроды
- •Амальгамные электроды
- •Окислительно-восстановительные, или редокси-электроды
- •Физические цепи
- •Концентрационные цепи
- •Химические цепи
- •Аккумуляторы
- •Определение коэффициентов активности электролитов
- •Определение рН раствора
- •Произведение растворимости
- •Потенциометрия
- •Ионоселективные электроды
- •Кинетика электрохимических процессов
- •Концентрационная поляризация
- •Электрохимическое перенапряжение
- •Напряжение разложения
- •Закономерности перенапряжения выделения водорода
- •1. Влияние плотности тока
- •2. Влияние природы металла
- •3. Влияние природы и состава раствора
- •4. Влияние температуры и некоторых других факторов
- •Теории водородного перенапряжения
- •Теория замедленной рекомбинации
- •Теория замедленного разряда
- •Электроосаждение металлов
- •Анодное растворение и пассивность металлов
- •Коррозия металлов. Борьба с коррозией
- •Кондуктометрия
- •Электроанализ и кулонометрия
- •Вольтамперометрические методы
- •Полярография. Нестационарная вольтамперометрия Классическая полярография
- •Следовательно, изменение приложенной извне разности потенциалов при выполнении измерений указанным образом равно изменению потенциала капельного электрода.
- •Теория метода
- •Твердые электроды в полярографии
- •Разновидности полярографических методов
- •Импульсная полярография
- •Осциллографическая полярография
- •Основные формулы и законы Формальная кинетика
- •Зависимость скорости реакции от температуры
- •Применение теории активных столкновений и теории активного комплекса к расчету констант скоростей реакций
- •Фотохимия
- •Ионное равновесие в растворах электролитов
- •Неравновесные явления в растворах электролитов: миграция и диффузия
- •Термодинамика гальванического элемента
- •Классификация электродов
- •Классификация электрохимических цепей
- •Аккумуляторы
- •Законы электролиза
- •Неравновесные электродные процессы
- •Оглавление
- •Физическая химия Курс лекций
- •Часть 2
- •Химическая кинетика, электрохимия
Общая схема расчета кинетики гомогенных каталитических реакций
Для представленной выше схемы каталитической реакции легко вывести уравнение, определяющее скорость ее протекания. Согласно теории активированного комплеса скорость реакции определяется скоростью его распада на конечные продукты
.
(1)
Концентрацию активированного комплекса (АВ)К можно найти следующим образом. Спустя некоторое время после начала процесса, согласно принципу стационарности, скорость образования активированного комплекса будет составлять
,
(2)
откуда
.
(3)
Так как реакция образования промежуточного продукта АК обратима, согласно принципу стационарности имеем
,
(4)
откуда находим
.
(5)
Подставляя (5) в (3) и полученное выражение в (1), находим
.
(6)
Из уравнения (6) видно, что скорость реакции оказывается прямо пропорциональной концентрации катализатора, что хорошо согласуется с опытом.
Если константа скорости распада промежуточного вещества на исходные продукты значительно превышает константу скорости образования активированного комплекса, то есть k2 >> k3 , то
.
(7)
Скорость реакции оказывается прямо пропорциональной концентрации катализатора и реагирующих веществ. Промежуточное вещество при этом называется промежуточным веществом Аррениуса.
Если же, наоборот, константа скорости образования активированного комплекса много больше константы скорости распада промежуточного вещества, то есть k2 << k3 , то все количество промежуточного вещества превращается в конечные продукты, а скорость реакции, как видно из выражения (6), оказывается прямо пропорциональной концентрации того исходного вещества, которое взаимодействует с катализатором, образуя промежуточное вещество:
.
В этом случае промежуточное вещество носит название промежуточного вещества Вант-Гоффа.
Катализ кислотами и основаниями
Многие реакции в растворах ускоряются в присутствии ионов водорода и гидроксила, например, этерификация кислот и спиртов, гидролиз сложных эфиров, инверсия сахаров и др.
Оствальд в 1884 г. нашел правило, согласно которому сила каталитического действия прямо пропорциональна электропроводности кислот. Эта закономерность была подтверждена Аррениусом, который, кроме того, установил две новые (солевые эффекты).
Прибавление нейтральной соли, не имеющей общего иона с катализирующей реакцию кислотой, способно увеличивать каталитическое действие. Например, скорость инверсии тростникового сахара в присутствии уксусной кислоты возрастает на 30% при прибавлении 10% (мол.) NaCl (первичный солевой эффект).
Прибавление к катализирующей реакцию кислоте ее соли (согласно классической теории кислот и оснований это должно уменьшать концентрацию ионов водорода) приводит не к уменьшению каталитического эффекта, а в некоторых случаях даже к увеличению (например, при этерификации трихлоруксусной кислоты).
Прежде чем рассматривать механизмы и кинетику гомогенных химических реакций, ускоряемых кислотами и основаниями, напомним определения кислот и оснований.
Согласно определениям, предложенным Бренстедом и Лоури, кислота – это вещество, являющееся донором протона, а основание – вещество, являющееся акцептором протонов. Кислота и основание, связанные уравнением
,
называются сопряженными. Протон в растворах обычно соединяется с молекулами рстворителя. Если молекулы растворителя не способны ни присоединять, ни отдавать протоны, то растворенное вещество не может проявлять ни кислотных, ни основных свойств. Такой растворитель называется апротонным. Вещество только тогда может проявлять кислотные свойства, когда растворитель является акцептором протонов. Такой растворитель называется протофильным.
Раствор кислоты в воде представляет собой систему двух пар сопряженных кислот и оснований
.
Одна пара сопряженных кислот и оснований – НА и А–, другая – Н3О+ и Н2О.
В водных растворах оснований также имеются две пары сопряженных кислот и оснований
.
Одна пара сопряженных кислот и оснований NH4+ и NH3 , другая Н2О и ОН–.
Как видно из этих примеров, вода может выступать и как основание, и как кислота. Вещества, способные отдавать и присоединять протон, называются амфипротными. Следовательно, кислотами и основаниями могут быть не только молекулы, но и ионы. Таким образом, в теории Бренстеда – Лоури основным признаком кислоты считается наличие в ее молекуле протона. Эта теория исключает возможность проявления кислотного характера веществами, не содержащими водорода, например SnCl4, BF3 , AlCl3 , ZnCl2 и другими, кислотные свойства которых хорошо известны.
По Льюису, кислота – вещество, способное использовать свободную пару электронов другой молекулы для образования устойчивой электронной оболочки, а основание – вещество, обладающее свободной парой электронов, которая может быть использована для образования устойчивой электронной конфигурации другого атома. Льюисовские кислоты и основания могут и не содержать протонов и, следовательно, являться апротонными. Всякое равновесие, связанное с использованием молекулой свободной электронной пары другой молекулы, следует рассматривать как кислотно-основное.
В зависимости от природы катализаторов различают несколько типов катализа кислотами и основаниями.
Каталитические реакции, ускоряемые кислотами, можно разделить на три типа: 1) специфический кислотный катализ, при котором активация субстрата осуществляется ионами Н3О+ ; 2) общий кислотный катализ с активацией субстрата любым донором протонов, кроме Н3О+, то есть под действием так называемых обобщенных кислот Бренстеда; 3) электрофильный катализ, когда катализаторами являются кислоты Льюиса.
Каталитические реакции, ускоряемые основаниями, также можно разделить на три типа: 1) специфический основной катализ с активацией субстрата ионами гидроксила ОН– ; 2) общий основной катализ с активацией субстрата с помощью любого акцептора протона, кроме ОН– , то есть катализ, происходящий под действием обобщенных оснований Бренстеда; 3) нуклеофильный катализ под действием оснований Льюиса.
Если в каталитической реакции одновременно участвуют бренстедовские кислота и основание, то такую каталитическую реакцию называют реакцией общего кислотно-основного катализа; если в реакции одновременно участвуют кислота и основание Льюиса, такую реакцию называют реакцией электрофильно-нуклеофильного катализа. Когда общий кислотно-основной или электрофильно-нуклеофильный катализ осуществляется одновременно (синхронно) путем тримолекулярного столкновения, такой механизм называется пуш-пульным.
Специфический катализ
Примером специфического кислотного катализа может явиться гидролиз сложных эфиров. В сильнокислых растворах эта реакция ускоряется только ионами гидроксония; выражение для ее скорости имеет вид
,
где [S] – концентрация субстрата, в данном случае сложного эфира.
При специфическом щелочном гидролизе скорость реакции прямо пропорциональна концентрации гидроксильных ионов, то есть
.
Отличие основного катализа от кислотного состоит в том, что активный промежуточный продукт образуется не при внедрении, а при отрыве протона от субстрата. Иногда он возникает при внедрении гидроксила в реагирующую группу субстрата.
Отнесение реакций к специфическому кислотному или щелочному катализу делается только на основании вида кинетического уравнения, а не на основании детального механизма процесса.
По механизму специфического кислотного катализа протекает реакция инверсии сахарозы, гидролиз ацеталей, гидратация ненасыщенных альдегидов. По механизму специфического основного катализа протекает альдольная конденсация, гидратация альдегидов, гидролиз сложных эфиров.
Общий кислотный и общий основной катализы
Общий кислотный катализ, так же как и специфический, связан с внедрением протона в реагирующую часть молекулы субстрата и с электронной атакой молекулы воды. Отличие от механизма специфического кислотного катализа состоит лишь в том, что донором протона является не Н3О+, а любая кислота НА Бренстеда. В общем кислотном катализе часто оказывается, что медленной стадией является не распад, а образование катиона SH+ (S-субстрат). По механизму общего кислотного катализа протекает гидратация и дегидратация альдегидов, гидролиз некоторых эфиров.
Общий основной катализ тоже схематически протекает так же, как и специфический. Различие схем (помимо того, что акцептором является не ОН–, а обобщенное основание Бренстеда) обычно сводится только к различию лимитирующих стадий. Для специфического основного катализа характерное быстрое образование и медленный распад промежуточного комплекса, а для общего основного катализа характерен медленный процесс образования промежуточного активного аниона S–.
Примером общего основного катализа является разложение нитрамида в водном растворе карбоновых кислот:
NH2NO2 NO2 + H2O
Скорость этой реакции в широком интервале рН не зависит от концентрации водородных и гидроксильных ионов. Было найдено, что константа скорости этой реакции первого порядка в присутствии уксусной кислоты подчиняется уравнению
Общий кислотно-основной катализ
Примером общего кислотно-основного катализа является реакция мутаротации глюкозы.
Изменение циклической структуры, вследствие которого достигается равновесное значение удельного вращения, протекает через ациклическую форму. Явление изменения удельного вращения называется мутаротацией. Реакция мутаротации протекает как в воде, так и в некоторых органических растворителях. Она ускоряется введением в смесь и кислот, и оснований; в зависимости от их концентрации константа скорости может быть определена следующим эмпирическим уравнением:
В некоторых органических растворителях (пиридине, хлороформе, м-крезоле) при полном отсутствии воды мутаротация полностью прекращается. Это явление объясняется следующим образом. Для каталитической мутаротации глюкозы необходимо одновременное присутствие и кислоты (донора протонов), и основания (акцептора протонов). Вода может быть и акцептором, и донором протона, поэтому ее каталитическое действие понятно. В растворителях, не содержащих водорода (апротонные растворители), может осуществляться лишь общий кислотный или основной катализ, так как ионы, аналогичные ионам гидроксония и гидроксила, при этом отсутствуют.
Однако в смеси одной части пиридина с двумя частями м-крезола мутаротация протекает в 20 раз быстрее, чем в воде. Пиридин обладает только основными свойствами, м-крезол – только кислотными, и в их смеси соблюдается необходимое условие общего кислотно-основного катализа – одновременное присутствие кислоты и основания.
Электрофильный и нуклеофильный катализы
Соединения, способные присоединяться к свободной электронной паре – электронные акцепторы, или кислоты Льюиса, играют роль катализаторов в тех случаях, когда возникающий комплекс обладает повышенной реакционной способностью. Опыт показывает, что апротонные кислоты катализируют те же реакции, что и протонные кислоты, причём активность апротонных кислот иногда выше, чем протонных. Возникающие комплексы имеют ионный характер и даже диссоциированы с образованием промежуточного активного продукта катионного типа.
Типичными апротонными кислотами являются галогенидные соединения адюминия, бора, хлорид цинка, тетрахлорид олова.
Аналогично апротонным кислотам ведут себя иногда ионы металлов (железа, меди, никеля). Активный промежуточный продукт образуется при этом в результате двухцентрового взаимодействия иона с субстратом и является хелатом. Субстатами могут быть эфиры и амиды дикарбоновых кислот, аминокислоты, некоторые кетокислоты. Процесс во второй стадии, как и во всяком кислотном катализе, протекает с участием основания.
Реагируя с водой, апротонные кислоты превращаются в протонные, например:
Cl
AlCl3 + H2O Cl – Al – OH – H+
Cl
Сила протонной кислоты из-за сильного смещения электрона от протона оказывается больше апротонной. Так, из кислот Льюиса образуют протонные бренстедовские кислоты:
BF3 + HF HBF4 H+ + BF4–
AlCl3 + HCl HAlCl4 H+ + AlCl4–
Соединения со свободной элекронной парой – основания Льюиса – в ряде реакций играют роль основных катализаторов. Отличие нуклеофильного катализа от общего основного заключается в том, что в случае основного катализа обычно происходит отщепление протона, а в случае нуклеофильного – нет.
Катализ комплексными соединениями переходных металлов
Комплексные соединения переходных металлов в последнее время находят всё большее практическое применение. Механизм их каталитического действия представляет интерес для понимания не только гомогенного, но, как будет показано ниже, и гетерогенного катализа. Большое значение комплексы переходных металлов играют в биологических системах.
Как известно, к переходным металлам относятся элементы дополнительных подгрупп периодической системы. Эти элементы обладают свойствами, характерными для металлов. Они занимают средние части длинных периодов периодической системы от Se до Ni, от Y до Pd, от La до Pt. К ним же относятся все актиноиды. В свободных атомах этих элементов происходит заполнение (n – 1) d-уровней (где n – номер периода). Для этих элеметов характерна незавершённость d-оболочки и наличие нескольких валентных состояний.
Все переходные элементы образуют устойчивые комплесные соединения, являясь комплексообразователями. Лиганд выступает в роли донора электронов, а комплексообразователь – в роли их акцептора. Акцепторные свойства особенно сильно выражены у 4d- и 5d-элементов.
Если 3d-элементы образуют в водных растворах простые гидратированные ионы, то 4d- и 5d-элементы – комплексы своих формально простых солей. Как мы увидим ниже, эти элементы склонны образовывать малоустойчивые комплексные соединения за счёт взаимодействия d-электронов с -электронами органических молекул. Эти неустойчивые реакционноспособные комплексы играют большую роль в катализе.
Интересными катализаторами гомогенных реакций в растворах являются карбонилы металлов. Они представляют собой комплексные соединения, образованные из электронодонорных групп СО и переходных металлов. Атомы металлов – комплексообразователей способны присоединять такое число электронов, какое недостаёт до построения атома инертного газа, находящегося в конце периода, в котором стоит данный металл. Примером технически важной реакции, катализируемой карбонилами метеллов, служит оксосинтез, или процесс гидроформилирования – метод получения альдегидов и олефинов при взаимодествии жидкого субстрата, соли кобальта, СО и водорода.
В ходе реакции из соли кобальта и СО образуются дикобальтоктакарбонил [Co(CO)4]2 и карбонилгидрид кобальта НСо(СО)4. В водном растворе НСо(СО)4 полностью ионизирован, и в насыщенном растворе (0,056 моль/л) является сильной кислотой.
Если сравнивать кислотные свойства гидрокарбонилов металлов, то оказывается, что гидрокарбонил железа близок по силе к уксусной кислоте, гидрокарбонил никеля не обладает кислыми свойствами, а гидрокарбонил кобальта, как уже сказано, является сильной кислотой. В реакции оксосинтеза гидрокарбонил кобальта в 106 раз активнее гидрокарбонила железа, а гидрокарбонил никеля совсем неактивен. Олефины, благодаря наличию -электронов, являются электронодонорными веществами, или основаниями Льюиса.
Реакция гидроформилирования протекает как реакция первого порядка по олефину и почти первого порядка по кобальту. Скорость реакции растет с повышением давления водорода и снижается с ростом давления СО независимо от природы растворителя. Кроме того, она для -олефинов выше, чем для олефинов с внутренней двойной связью, так как в последнем случае возникают стерические затруднения.
Необходимо отметить, что механизм реакции гидроформилирования очень сложен и не все детали его еще установлены.
Другой интересной и практически важной реакцией, в которой также существенную роль играют -комплексы, является реакция окисления этилена до ацетальдегида в водном растворе палладия, так называемый вакер-процесс:
PdCl42– + C2H4 + H2O CH3CHO + Pd + 4Cl– + 2H+
Металлический палладий легко окисляется до PdII двухвалентной медью, а возникающая одновалентная медь легко окисляется воздухом до двухвалентного состояния:
4Cl– + Pd + 2Cu2+ PdCl42– + 2Cu+
4Cu+ + O2 + 4H+ 4Cu2+ + 2H2O
Таким образом, в ходе реакции расходуются только этилен и кислород.
Предполагают, что процесс протекает через образование комплекса с олефинами:
PdCl42– + C2H4 [C2H4PdCl3]– + Cl– (а)
[C2H4PdCl3]– + H2O (C2H4PdCl2 H2O) + Cl– (б)
C2H4PdCl2 H2O) + H2O (C2H4PdCl2OH)– + H3O+ (в)
Затем происходит внутренняя перегруппировка этого комплекса (медленная стадия):
(C2H4PdCl2OH)– ClPdCH2CH2OH + Cl–
ClPdCH2CH2OH HCl + Pd + CH3CHO (г)
Для такой схемы легко получить уравнение скорости реакции, находящейся в хорошем согласии с опытом:
,
где К1 , К2 , К3 – константы равновесий реакции (а), (б) и (в) соответственно.
Как видно из схемы реакции, связи С=О возникают путем перегруппировки в комплексе, содержащем ОН и С2Н4 в качестве лигандов [реакция (г)].
Хлорид палладия кактализирует окисление пропилена до ацетона, окисление цис- и транс-бутенов до метилэтилкетона, реакцию винилирования при взаимодействии этилена и уксусной кислоты в присутствии PdCl2 и Na2HPO4. Комплексные соединения некоторых переходных металлов катализируют также реакции связывания азота.
Характерной реакцией ацетиленов является гидратация, которая катализируется солями HgII в кислых растворах (реакция Кучерова):
Подобно олефинам ацетилены образуют -комплексы со многими ионами переходных металлов, такими, как AgI, HgII. Возникающий -комплекс является активным промежуточным продуктом реакции. Медленной стадией реакции является внедрение воды в комплексный ацетилен.
Важным примером гомогенных каталитических реакций, в которых катализаторами являются комплексные соединения переходных металлов и в ходе которых лбразуются -комплексы с олефинами, являются реакции полимеризации олефинов. Катализаторы для полимеризации были предложены Циглером и Натта. Их получают из металлорганических соединений элементов II и III групп (чаще всего используют триалкилалюминий), гидридов щелочных металлов или смешанных алкилгидридов металлов и соединений переходного металла (например, галогенидов титана).
Как видно из изложенного, в гомогенных системах возможны каталитические реакции гидрирования, изомеризации и полимеризации олефинов. Такие реакции характерны, как будет показано ниже, и для гетерогенных каталитических реакций. Поэтому можно предполагать, что механизм гетерогенных каталитических реакций в общем аналогичен механизму гомогенных каталитических реакций. Во многих случаях активные участки гетерогенных катализаторов в присутствии реагирующих веществ ведут себя аналогично комплексам, возникающим в гомогенных системах.
Гомогенные системы представляют большой интерес для раскрытия детального механизма каталитических реакций. Удобства гетерогенных каталитических реакций, обусловленные легкостью отделения катализатора от реагирующих и получающихся веществ, заменяются в гомогенном катализе высокой селективностью протекающих процессов. Поэтому перспективными являются катализаторы гомогенных систем, закрепленные на твердых телах.
Лекция 42
Гетерогенный катализ.
Теория промежуточных соединений
Основные характерные черты гетерогенных
каталитических процессов
Для объяснения действия гетерогенного катализатора Д.И.Менделеев предложил теорию промежуточных соединений (1886). Он высказал ряд интересных мыслей о природе гетерогенного катализа. Он указал, что свойства молекул на поверхности раздела фаз в энергетическом отношении отличаются от свойств молекул в объеме; процесс удерживания молекул на поверхности связан с выделением тепла, которое может идти на активирование молекул; молекулы на поверхности переходят в более реакционноспособное состояние, поэтому для химических процессов большое значение имеет контакт молекул на границе раздела фаз; реакции на границе раздела фаз идут с большими скоростями при невысоких температурах.
Идея образования промежуточных соединений развивалась далее Сабатье и рядом других исследователей, особенно школой Н.Д.Зелинского. Согласно этой идее, катализатор образует с одним из реагентов промежуточное соединение, активируя данный реагент и облегчая реакцию. Типичными промежуточными соединениями являются сорбционные соединения
Pt – H, Ni – H, Pd – H и др.
Отсюда следует и один из основных принципов гетерогенного катализа: катализатор обладает физическим или химическим сродством к одному или нескольким реагентам. Например, гидрогенизационные и дегидрогенизационные катализаторы Pt, Pd, Ni, Cu и другие легко сорбируют водород, образуя с ним промежуточные соединения (палладий даже способен растворять газообразный водород). Гидратирующие и дегидратирующие катализаторы, например Al2O3 или Al2(SO4)3 , обладают способностью образовывать гидратного типа соединения с водой; их действие в реакции дегидратации спиртов, таким образом, подобно действию серной кислоты.
Аналогичные явления имеют место и на окислительных катализаторах: платина и палладий легко образуют с кислородом сорбционные поверхностные соединения; оксид меди (CuO) легко восстанавливается до металлической меди и снова окисляется до CuO. Ванадий образует ряд оксидов разных степеней окисления, легко переходящих друг в друга.
Таким образом, важно не только одно сродство катализатора к реагирующему веществу, но и лабильность, неустойчивость получающегося промежуточного соединения, легко вновь распадающегося при взаимодействии со вторым реагирующим компонентом на продукты реакции и вновь готовый к действию катализатор. Интересным примером подобной регенерации катализатора является получение водяного газа на Fe3O4 , которое может быть изображено следующим стехиометрическим уравнением:
Первой стадией этого процесса является восстановление Fe3O4 оксидом углерода:
Затем железо, взаимодействуя с водой, дает водород и регенерируется в Fe3O4 :
Оба эти процесса и дают в сумме приведенное выше стехиометрическое уравнение.
Практически важным свойством гетерогенного катализатора, как и всякого катализатора, является специфичность его действия. Различные катализаторы могут направлять процесс по совершенно разным путям. Так, из этанола могут быть получены семь различных продуктов в зависимости от выбора катализатора или условий его применения:
|
|
|
|
С2Н5ОН |
|
|
|
|
|
Специфичность действия катализатора, позволяющая вести процесс в желательном направлении, является одним из основных свойств, используемых при практическом применении катализатора в промышленности. Избирательное каталитическое действие по теории промежуточных продуктов связано с образованием промежуточных соединений разной химической природы на разных катализаторах.
Уже давно установлено, что присутствие в реагирующей смеси некоторых веществ, часто в совершенно ничтожном количестве, способно понижать или полностью подавлять активность катализатора. Такие вещества получили название каталитических ядов, а само явление назвали отравлением катализаторов. Типичными каталитическими ядами являются соединения серы (H2S, CS2 , тиофен, меркаптаны и др.), синильная кислота, оксид углерода, свободные галогены (I2 , Cl2 , Br2 ), ртуть и соли ртути [HgCl2 , Hg(CN)2 ], соединения фосфора, мышьяка, свинца и другие. Отравление катализатора происходит вследствие сорбции яда на поверхности катализатора, в результате чего затрудняется доступ к ней реагирующих веществ. Поскольку сорбция может быть обратимой и необратимой, различают обратимое и необратимое отравление. Например, платиновый катализатор отравляется в присутствии CO и CS2 , однако при внесении его в чистую исходную смесь газов активность катализатора быстро восстанавливается. При отравлениях же H2S и РН3 платина необратимо и полностью дезактивируется.
Иногда действие яда удается использовать для направления процесса в желательном направлении (благоприятствующее отравление). Так, гидрирование бензоилхлорида в бензольном растворе над платиной приводит через ряд последовательных стадий к образованию толуола
Между тем отравление платины небольшим количеством соединений серы (например, путем подмешивания их к исходной смеси или употребления в качестве растворителя неочищенного бензола) позволяет с хорошими выходами остановить реакцию на стадии получения ценного продукта – бензальдегида.
Прибавление к катализатору вещества, которое само по себе является каталитически недеятельным, вызывает иногда весьма значительное повышение эффективности процесса. Такие вещества получили название промоторов. Как правило, эффективность действия промотора зависит от его количества: наблюдаются максимумы активности при определенном составе смешанного катализатора. Явление промотирования находит большое применение на практике, позволяя повышать активность, срок действия и избирательность катализатора.
Массивный металлический катализатор работает только своей поверхностью, которая составляет, по количеству действующего каталитически вещества, ничтожную долю всей массы катализатора. Поэтому уже давно стали употреблять нанесенные катализаторы, приготовляемые нанесением тонкого слоя активного вещества на каталитически недеятельный носитель. В качестве носителей чаще всего используют вещества с высокоразвитой поверхностью: уголь, силикагель, алюмогель, асбест, пемзу, кизельгур, стекло, фарфор и др. Носитель применяют не только для экономии катализатора (что имеет немаловажное значение для таких катализаторов, как Ir, Pt, Pd, Au, Ag, Os); он способен в небольших пределах изменять активность катализатора, проявляя определенный промотирующий эффект. Кроме того, устойчивость нанесенных катализаторов по отношению к температурному воздействию и к отравлению ядами, как правило, резко повышается в сравнении с массивными металлическими катализаторами.
Нужно отметить, что для большинства (но не для всех) катализаторов предварительное прогревание, необходимое для их активирования, может привести, начиная с некоторой, характерной для каждого катализатора температуры, к понижению, а при дальнейшем увеличении температуры прогревания – и к полной потере активности. Происходит, как говорят, «спекание» катализатора. Носитель препятствует спеканию, повышая срок и температурный интервал действия катализатора. Благодаря этому оказывается возможным во многих случаях повышать температуру проведения процесса, ускоряя его и повышая выход продукта реакции.
