5.9. Современный катализ

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. При гомогенном катализе исходные реагенты и катализатор находятся в одной фазе (газовой или жидкой), при гетерогенном – газообразные или жидкие реагенты взаимодействуют на поверхности твердого катализатора. Катализ обусловливает высокие скорости реакций при небольших температурах, предпочтительное образование определенных продуктов из ряда возможных. Каталитические процессы являются основой многих химико-технологических процессов, например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака. Большинство процессов, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды:

2Н₂ + О₂ → 2Н₂О.

Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением большого количества тепла. Однако реакция протекает настолько медленно, что даже после месячной выдержки данной смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и введение катализатора. Катализатор помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции. Катализ еще со времен шведского химика Берцелиуса (1779–1848) имеет исключительно важное значение для химических превращений.

Некоторые промышленные химические процессы проводятся в газовой форме при наличии твердых катализаторов, однако на практике чаще всего осуществляются жидкофазные каталитические процессы. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом, причем 80% из них – с участием гетерогенного катализа.

К довольно эффективным катализаторам можно отнести ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическим свойством обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы. .

Новые катализаторы позволяют уменьшить в химических превращениях не только температуру, но и давление. Например, разработанный в нашей стране катализатор дал возможность синтезировать метанол при давлении 50 атм и температуре 260–290°С, в то время как раньше такой синтез проводился при давлении до 1000 атм и температуре 300–400°С. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд раз.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. В гетерогенном катализе химическая реакция совершается в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газовой или жидкой смеси реагентов. Гомогенный катализ происходит либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты. В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. При этом в отличие от гетерогенного катализа здесь есть возможность управлять процессом при изменении величины электрического тока. В фотокатализе химическая реакция может происходить на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулирует ее энергия поглощенного излучения. Ферментативному катализу присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ожидании реакции. Кроме того, фермент собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию по прибытии партнера.

ЛЕКЦИЯ 6