1.2. Гомогенный катализ

Явление гомогенного катализа объясняется теорией промежуточных соединений. Согласно этой теории катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя с ним непрочное промежуточное соединение; последнее энергично взаимодействует с другим компонентом реакционной смеси, причем катализатор восстанавливается. Сказанное можно представить следующими схематическими уравнениями (молекулу катализатора обозначим Kat):

Исходный химический процесс	Стадии процесса с участием катализатора
А + В = АВ	1. Образование нестойкого промежуточного соединения Kat + А = KatА 2. Взаимодействие промежуточного соединения KatА с компонентом В реакционной смеси KatА + В = АВ + Kat

Рассмотрим конкретные примеры гомогенного катализа, подтверждающие теорию промежуточных соединений.

Пример 1. Реакция окисления SO₂ в SO₃ протекает по уравнению:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃.

Без катализатора эта реакция в обычных условиях идет медленно. В присутствии катализатора оксида азота (I) процесс разбивается на стадии:

1) 2NO + O₂ = 2NO₂

2) NO₂ + SO₂ = SO₃ + NO.

Пример 2. Перекись водорода в водных растворах самопроизвольно, но медленно разлагается на кислород и воду:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂.

В присутствии катализатора K₂Cr₂O₇ (водный раствор) скорость разложения H₂O₂ резко увеличивается, процесс протекает в две стадии:

1) 2H₂O₂ + K₂Cr₂O₇ = K₂Cr₂O₉ + 2H₂O

2) K₂Cr₂O₉ = K₂Cr₂O₇ + O₂.

Приведенные выше примеры показывают, что катализатор не входит в химический состав конечных продуктов реакции. Он сохраняется в прежнем количестве (как видно из уравнений для второй стадии каждого из каталитических процессов) и в состоянии образовывать нестойкие промежуточные соединения с новыми порциями исходных веществ.

1.2. Гетерогенный катализ

Гетерогенные каталитические реакции протекают на поверхности катализатора. Поэтому твердые катализаторы обычно используются в мелкораздробленном состоянии, чтобы соприкосновение между ними и реагирующими веществами было возможно большим. Если это условие выполнено, то иногда достаточно простого контакта между катализатором и веществами для огромного увеличения скорости реакции. Так, платина, взятая в виде пластинки, повышает скорость реакции в сотни раз меньше, чем та же масса металла в виде мелкого порошка. Поэтому в каталитических процессах не применяют катализатор в виде больших кусков, а наносят его в мелкораздробленном состоянии на какие-нибудь пористые или рыхлые тела (так называемые носители). Очень часто применяют, например, платинированный асбест. В качестве носителей служат также неглазированный фарфор, глина и т.д.

Для объяснения механизма гетерогенного катализа используют понятие о явлении адсорбции^. Главное положение теории адсорбции состоит в том, что при адсорбции вещества его молекулы становятся более активными, так как при прикреплении атомов, составляющих адсорбируемую молекулу, к существующим активным центрам поверхности нарушается геометрия молекулы, изменяются длины связей и углы между ними. Из-за нарушения структуры молекулы связи между атомами ослабевают. Иногда адсорбированные молекулы диссоциируют на отдельные атомы, отличающиеся большой химической активностью.

Рассмотрим процесс в общем виде. Предположим, что реакция

АВ + СD = АС + ВD

идет на поверхности катализатора Kat, и на ней адсорбируются молекулы АВ. Тогда между Kat и АВ возникнут химические связи Kat — А или Kat — В. В обоих случаях химическая связь А — В станет более слабой. Следовательно, молекулы АВ станут более активными, и скорость реакции между ними и молекулами СD увеличится. Такое же объяснение применимо, если адсорбироваться будут не молекулы АВ, а СD или те и другие вместе. Возможно также образование на поверхности катализатора нестойких промежуточных соединений Kat — АВ или Kat — СD подобно тому, как это имеет место в гомогенном катализе.

Примером гетерогенного катализа может служить окисление сернистого газа кислородом (катализатор платина). Платина адсорбирует кислород, одновременно ослабляя связь между атомами кислорода. Кислород становится более активным, благодаря чему окисление SO₂ может протекать более энергично по уравнению:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃.