Катализ

Катализом называют явление изменения скорости реакции, происходящее под действием некоторых веществ, называемых катализаторами. Катализатор - вещество, которое повышает скорость химической реакции, но само не расходуется в этом процессе.

Каждый катализатор характеризуется селективностью, т.е. способностью ускорять только одну реакцию из нескольких возможных, и активностью, т.е. величиной, показывающей, во сколько раз катализатор увеличивает скорость процесса.

Все каталитические процессы можно подразделить на три типа: гетерогенные, гомогенные и ферментативные.

Гетерогенный катализ протекает в том случае, когда катализатор и реагирующие вещества находятся в различных фазах, т.е. катализатор представляет собой самостоятельную фазу. Все гетерогенные процессы происходят на поверхности раздела фаз. Больше всего изучены те гетерогенные процессы, при которых молекулы газов реагируют с поверхностью твердого тела. При гетерогенном катализе на твердой поверхности определяющую роль играют процессы адсорбции.

Гомогенный катализ осуществляется, когда катализатор и реагирующие вещества находятся в одной фазе, например, в составе раствора.

Рассмотрим механизм гомогенной каталитической химической реакции. Пусть необходимо увеличить скорость превращения веществ A и B в вещество C:

медленно A + B ¾¾¾¾¾® С.

DG1

При добавлении в систему катализатора механизм реакции изменяется, и на первой стадии происходит взаимодействие вещества A с катализатором K с образованием неустойчивого химического соединения AK:

быстро A + K ¾¾¾¾¾® AK.

DG2

Затем вещество AK взаимодействует с веществом B с образованием требуемого продукта реакции C и с регенерацией катализатора K:

быстро AK + B ¾¾¾¾¾® C + K.

DG3

Как видно, если суммировать две стадии каталитического процесса, то результирующая реакция будет полностью соответствовать требуемому процессу. Однако механизм реакции изменится, и, вместо одной медленной реакции, он будет включать в себя две быстрые стадии химического превращения.

Так как изменение энергии Гиббса в ходе химической реакции (DG) является функцией состояния и не зависит от пути протекания реакции, а определяется только состоянием исходных веществ и продуктов реакции, справедливо равенство:

DG₁ = DG₂ + DG₃.

Таким образом, катализатор не влияет на величину DG химической реакции!

Поскольку, в присутствии катализатора изменяется механизм химической реакции, изменяется и ее энергетическая диаграмма (рис. 1.4.). Если исходную реакцию, которая проводится без катализатора, характеризует некоторая энергия активации E_{A 1}, то каждая стадия каталитической реакции имеет свою энергию активации, обозначенные на диаграмме E_{A 2} и E_{A 3} соответственно. Причем энергия активации каталитической реакции меньше, чем у реакции без катализатора. Следовательно, катализатор уменьшает энергию активации химической реакции.

Рис. 1.4. Энергетическая диаграмма каталитической реакции

Важной разновидностью катализа является ферментативный катализ, протекающий под действием ферментов. Ферменты (энзимы) - это белковые молекулы, которые катализируют химические реакции в биологических системах. Ферменты обеспечивают нормальное функционирование живых организмов. Без их действия большинство биохимических реакций либо протекает слишком медленно, либо не протекает вообще. Ферменты обладают самыми большими среди всех известных катализаторов селективностью и активностью (порядка 10⁴ – 10⁷ раз). Большинство ферментов активны только в узком интервале pH 4 – 9 и температур 273 – 279 K.

Реакции, которые каталитически ускоряются продуктами, получаемыми в этой же реакции, называют автокаталитическими (самоускоряющимися). Автокаталитические реакции вначале протекают медленно, но по мере образования продуктов скорость их возрастает.

Помимо катализаторов существуют и такие вещества, уменьшающие скорость нежелательных химических реакций, которые называются ингибиторами. В отличие от катализаторов, ингибиторы не изменяют энергию активации. Ингибиторы препятствуют обычному пути протекания химической реакции, вступая в реакцию с какими-либо промежуточными продуктами с образованием прочных соединений, либо блокируют активные центры катализатора.

Каталитические процессы имеют огромное значение в современной химической промышленности. Практически все основные крупнотоннажные химические производства основаны на применении катализаторов, в том числе синтез аммиака, серной и азотной кислоты, полипропилена, синтетического каучука, анилина, уксусной кислоты, гидрогенизация жиров. Мощность основных каталитических процессов нефтепереработки – крекинга, гидроочистки, риформинга, изомеризации – достигает сотен миллионов тонн, позволяя получать высококачественное моторное топливо и другие продукты с высоким выходом.

Не менее важны каталитические реакции и в нашей повседневной жизни. Впервые разработанные в 1907 году стиральные порошки с использованием протеаз – ферментов, разрушающих белки – сегодня составляют 80% от всех моющих средств.

Ингибирование нежелательных химических реакций также позволяет достичь высокого экономического эффекта. Без антиоксидантов – веществ, предотвращающих процессы окисления, невозможно бы было создание как автомобильных покрышек с большим сроком службы, так и пищевых продуктов с длительным сроком хранения. Ингибиторы коррозии продлевают время эксплуатации металлических конструкций.

Дата добавления: 2014-01-07