Понятие о катализе и катализаторах
Одно из наиболее сильных средств влияния на скорость реакции – присутствие в реагирующей системе катализатора. Катализатором называется вещество, изменяющее скорость химической реакции, но остающееся неизменным после того, как химическая реакция заканчивается.
Катализ– явление, заключающееся в изменении скорости химической реакции под действием катализаторов. Согласно современным воззрениям, катализ обусловлен уменьшением энергии активации молекул (Ea1 ) при их контакте с катализатором (Ea2 ) так, как это показано нарис. 4.9:
Рис. 4.9. Изменение энергии реагирующей системы в присутствии катализатора и без него.
Действие катализаторов является избирательным. Применяя разные катализаторы, можно получить из одного и того же вещества разные продукты, например:
Определенный катализатор, изменяя скорость одной реакции, совершенно не оказывает влияния на скорость другой химической реакции. Поэтому должно быть понятным, что поиски, подбор, исследование и дальнейшее внедрение в практику все новых и новых катализаторов является одной из сложнейших и важнейших задач современной химии, так как роль катализаторов в химическом производстве очень велика. Перечислим лишь несколько химических производств, где используют катализаторы.
В нефтяной промышленности для крекинга углеводородов (с помощью которого увеличивается выход бензина из керосина) и для реформинга (который приводит к перестройке структуры углеводородов и повышению октанового числа бензина).
При переработке природного газа.
При получении полимеров, искусственного каучука.
При получении серной кислоты, аммиака, синтетического метилового и этилового спиртов и т.д.
Катализ играет большую роль не только в химии, но и в биологии, так как практически все биохимические превращения, происходящие в живых организмах, являются каталитическими. В роли катализаторов в этом случае выступают ферменты – вещества биологического происхождения. Теория биохимических катализаторов – ферментов намного сложнее, чем теория химических катализаторов.
Реакционная способность веществ
Как мы уже видели, способность к взаимодействию различных химических реагентов (реакционная способность) определяется не только их атомно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций, к которым прежде всего относятся термодинамические факторы, характеризующие зависимость реакций от температуры, давления и некоторых других условий. В еще большей степени характер и особенно скорость реакций зависят от кинетических условий, которые определяются, прежде всего, наличием катализатора.
Еще в конце XIX в. изучалось влияние растворителей на ход химических реакций. Выяснилось, что одна и та же реакция в разных растворителях протекает по-разному – с разными скоростями и выходом конечного продукта. Иногда растворитель оказывается инициатором реакции, – без него она просто не начиналась бы. В настоящее время считается общепринятым, что растворитель – непосредственный участник всякой химической реакции, является в одних случаях ее катализатором, т. е. веществом, ускоряющим реакции, а в других – ингибитором – веществом, снижающим скорость химического процесса.
Опыты показывают, что стенки реактора участвуют в химическом взаимодействии реагентов.
На интенсивность химических процессов оказывают влияние случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других – как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки.
Таким образом, влияние растворителей, стенок реактора и случайных примесей на ход химических реакций может быть сведено и к катализу, т. е. к положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс.
Говоря о катализаторах, следует отметить особый тип катализаторов, созданных самой природой, ферменты, или биокатализаторы. Без них возникновение и эволюция жизни на Земле были бы невозможны.
Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, они не тождественны им, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире наталкиваются на серьезные ограничениями. Речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использования этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем, а также частично – практического применения выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций.
Тот факт, что катализ играл решающую роль в переходе от химических систем к биологическим в процессе биохимической эволюции (возникновения жизни на Земле), в настоящее время подтвержден многими данными и аргументами. Наиболее убедительные результаты связаны с опытами по самоорганизации химических систем, которые наблюдали наши соотечественники Б.П. Белоусов и А.М. Жаботинский. Такие реакции сопровождаются образованием специфических пространственных и временных структур за счет поступления новых и удаления использованных реагентов. Важное значение в указанных реакциях играют каталитические процессы. Роль этих процессов усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. На этом основании некоторые ученые напрямую связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.