Активация в гетерогенных каталитических реакциях

Итак, катализатор не вызывает, а ускоряет химический процесс. За счет каких факторов может быть достигнуто это ускорение?

Для этого необходимо определить энергию активации (Е_а) каталитического процесса. Для большинства гетерогенных каталитических реакций справедливо уравнение Аррениуса:

,

из которого обычным путем можно определить Е_а. Для одинаковых процессов Е_{а ,} полученная по уравнению Аррениуса, для гетерогенной реакции ниже, чем Е_а гомогенной некаталитической реакции. В чем причина понижения Е_а в гетерогенных каталитических реакциях по сравнению с соответствующими гомогенными некаталитическими реакциями?

Построим кривые потенциальной энергии вдоль координаты реакции для некаталитической гомогенной и каталитической гетерогенной реакций.

Пусть в отсутствии катализатора протекает бимолекулярная гомогенная реакция

Кривая потенциальной энергии для гомогенного процесса имеет обычный вид, поднимаясь на величину энергии активации и спадая до уровня энергии конечных продуктов. В присутствии катализатора К скорость реакции возрастает, но продукты остаются теми же, тогда весь гетерогенный процесс рассматривают следующим образом:

1) сначала происходит адсорбция исходных веществ на поверхности катализатора, которой соответствует энергия активации Е_адс

При этом процесс адсорбции является экзотермическим. Следовательно, величина -∆Н_адс отрицательна.

2) перевод адсорбированного состояния в активное

Этот процесс требует затраты истинной энергии активации Е_ист гетерогенной каталитической реакции – это та энергия, которая необходима для перехода адсорбированного состояния исходных веществ в активное.

Величина Е_каж называется кажущейся энергией активации, которая определяется по уравнению Аррениуса. Энергия называется кажущейся, так как это та энергия, которая необходима для перевода неадсорбированных исходных веществ в активный комплекс (АК) на катализаторе, хотя на самом деле исходные вещества сперва адсорбируются на катализаторе, а затем переходят в АК с участием катализатора. Однако Е_а в гетерогенном каталитическом процессе меньше, чем у гомогенного процесса, на величину теплоты адсорбции активного комплекса на катализаторе:

,

т.е. энергия выделяется при адсорбции.

3) реакция на поверхности катализатора с образованием адсорбированных конечных продуктов

4) десорбция продуктов реакции, приводящая к регенерации катализатора

Процесс протекает с энергией активации Е_дес и является эндотермичным (+∆Н_дес).

В общем можно сказать, что энтальпия гетерогенного каталитического процесса и некаталитического гомогенного процесса одинаковы.

При сравнении констант скорости некаталитических и каталитических реакций, когда направление процесса не меняется и катализатор лишь ускоряет процесс, будем иметь:

;

Таким образом, ускоряющее действие гетерогенного катализатора обусловлено экзотермическим процессом адсорбции на поверхности, вследствие чего снижается Е_а реакции.

Дата добавления: 2014-01-06