47. Общие представления о катализе

Катализ-изменение скорости или возбуждение химической реакции катализатором, т.е. веществами участвующими в реакции, но не входящими в состав конечных продуктов. Различают положительный(ускорение) и отрицательный (ингибирование, замедление реакций). Обычно термин катализ относят к положительному катализу. Вещества, замедляющие скорость реакции называют ингибиторами. Суть каталитического действия заключается в следующем. 1)Химические превращение протекает через образование активированного комплекса, обладающего избыточной энергией, достаточной для перестройки участвующих в нем молекул и образования новых химических связей, то есть получения новых веществ – продуктов реакции. Участвовать в образовании активированного комплекса могут только те молекулы, энергия которых превышает энергию активации его образования. Использование катализатора приводит к изменению реакционного пути за счет химического взаимодействия с компонентами реакции через образование активированного комплекса, обладающего меньшей энергией, чем полученного без участия катализаторы. 2)Промежуточное соединение, в которое входит катализатор, далее превращается в продукты, через другой активированный комплекс, но тоже образованный с меньшей затратой энергии. После второго этапа (стадии) реакции катализатор восстанавливает свой химический состав, и составляющие его компоненты не входят в состав продукта. Вне зависимости от того, как протекает химическая реакция (с участием катализатора или без него),исходное и конечное энергетическое состояние реагирующей системы, в том числе и энергия Гиббса не изменяется. Таким образом катализатор не сдвигает химическое равновесие в реагирующей системе, но ускоряет его достижения. Каталитическое превращение, описанное выше, осуществляется по стадийному механизму, когда одна некаталитическая реакция типа A+B Ea C+D заменяется совокупностью нескольких стадий последовательного взаимодействия реагентов с катализатором с образованием на каждой стадии активированного комплекса:

Е_А1 Е_А2

A+K (AK)^* AK

AK+ B (ABK)^* C+D+K

(1),

где (AK)^*- активированный комплекс, образующийся на первой стадии

АК- промежуточное соединение А с катализатором К

К- катализатор

(ABK)^* - активированный комплекс, образующийся на второй стадии

Е_а – энергия активации каталитической реакции

Е_а1 , Е_а2 - соответственно энергии активации первой и второй стадии каталитической реакции, причем Е_а1 <Е_а и Е_а2 < Е_а.

Возможен слитный (ассоциативный, синхронный) механизм, включающий одновременное взаимодействие всех реагентов с катализатором и образование одного активированного комплекса:

(2)

А+В+К (АВК)^* С+D+K

Катализаторы часто обладают избирательным действием( селективностью), то есть ускоряет лишь одну из термодинамически возможных реакций.Т.е. катализ является не только методом ускорения реакции, но и методом управления для направленного осуществления тех или иных превращений. Катализаторами могут быть элементарные вещества (металлы, активированный уголь), химические соединения (оксиды, сульфиды, хлориды), сложные комплексы и многоатомные молекулы, их смеси.

Специфика катализатора зависит как от его состава и строения, так и от вида химической реакции.

Классификация каталитических реакций основана на фазовом состоянии участников процесса

• Гомогенный(реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (жидкой или газообразной).)

• гетерогенные (реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах (например, катализатор - твердый, а реагирующие вещества – в газовой или жидкой фазе).

• микрогетерогенные каталитические реакция (занимает промежуточное место между гомогенным и гетерогенным.)В этом случае в качестве катализатора используют большие полимерные молекулы. В эту группу входят ферментативные реакции, в которых катализатором являются белковые молекулы сложного состава и строения (ферменты), микрогетерогенный катализ называют так же ферментативным.

Гомогенный и микрогетерогенный катализ – однофазные процессы и к ним применимы закономерности, характерные для гомогенных и газожидкостных химических процессов.

Гетерогенно-каталитический процесс

Место протекания гетерогенной каталитической реакции – поверхность твердого катализатора. Для ее увеличения используют пористые катализаторы, внутренняя площадь поверхности в которых достигает десятки и сотни квадратных метров в одном кубическом сантиметре. Наружная поверхность таких катализаторов в 10³ -10⁶ раз меньше внутренней, поэтому вклад наружной поверхности в общую скорость превращения можно не учитывать. Существенным преимуществом гетерогенно-каталитических процессов является простота разделения продуктов реакции и частиц катализатора для его повторного использования.