Общие понятия катализа

Катализ – явление изменения скорости химических реакций под воздействием веществ, называемых катализаторами (Kat). Катализатором называют вещество, изменяющее скорость химических реакций, но в результате реакции остающееся без изменения. Если Kat ускоряет химическую реакцию, катализ называется положительным, если замедляет – отрицательным. Отрицательный катализ применяют для подавления нежелательных побочных реакций. Катализаторы в отрицательном катализе –это ингибиторы (ингибиторы коррозии металлов, ингибиторы окисления, полимеризации и т.д.). Различают гомогенный, гетерогенный и биокатализ (ферментативный) катализ.

При гомогенномкатализе реагирующие вещества составляют с катализатором одну фазу, например, разложение муравьиной кислоты в присутствии ионов водорода (Н⁺).

В ряде промышленных химических процессов катализатором является поверхность твердого тела, а исходные реагенты в газообразной или жидкой фазе соприкасаются с ней. Этот вид катализа называют гетерогенным. Так, при соприкосновении смеси олефинов (RCH=CH₂) и водорода с платиной (Pt), нанесенной на силикагель SiO₂ (или алюмогель Al₂O₃) идет быстрый процесс гидрирования:

Микрогетерогенный катализ имеет место, когда Kat находится в раздробленном (высокодисперсном) состоянии.

В гетерогенных процессах суммарная скорость определяется скоростью одной из трех стадий реакции:

· подвод вещества к поверхности твердой фазы;

· элементарный акт реакции;

· отвод продуктов реакции.

Биокатализ – ускорение биохимических реакций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами. Он составляет основу многих современных технологий получения глюкозы, антибиотиков, витаминов и др.

Как правило, катализаторы обладают специфичностью, т.е. способностью изменять скорость и (или) направление только конкретной химической реакции или группы однофазных реакций. Катализаторы, не обладающие специфичностью, называют универсальными. К ним, в частности, относятся металлы Ni, Pd, Pt, которые катализируют химические процессы окисления, гидрирования и т.п.

Химические процессы являются автокаталитическими, если катализатором служит один из продуктов реакции, поэтому такие процессы ускоряются со временем. Катализатор в равной степени ускоряет прямую и обратную реакции, не влияя на положение равновесия. Наличие в зоне реакции посторонних веществ по-разному отражается на действии катализатора: одни вещества усиливают действие Kat, их называют промоторами или активаторами, например, добавка сульфатов щелочных металлов в сотни раз повышает активность V₂O₅ – катализатора окисления SO₂ в SO₃. Вещества, подавляющие каталитическую активность Kat, называют каталитическими ядами. Примером таких веществ является кислород и его соединения, вызывающие «отравление» железного катализатора.

В настоящее время не существует единой теории катализа. Для описания гомогенного катализа разработана теория промежуточных соединений. Механизм действия Kat согласно этой теории рассмотрим на примере А + В = АВ, медленно протекающую в отсутствии Kat. В присутствии Kat эта реакция проходит в две быстро протекающие стадии: А + Кat = АКat и АКat + В = АВ + Кat. Причиной ускорения катализируемых химических реакций является низкая энергия активации Kat. Катализатор направляет ход реакции через такие промежуточные соединения, образование которых не требует большой затраты энергии на активацию реагентов.

Дата добавления: 2014-01-13