Глава 24. Каталитические реакции

24.1. Общая характеристика и классификация каталитических реакций

Скорость многих химических реакций зависит от присутствия в реакционной смеси веществ (специально вводимых или присутствующих в виде примесей), которые не входят в стехиометрическое уравнение химической реакции и после окончания реакции остаются неизменными как по химическому составу, так и количественно. Эти вещества, изменяющие скорость реакции, но стехиометрически не являющиеся участниками реакции, получили название катализаторы(Берцелиус, 1836), а само явление изменения скорости в присутствии катализатора называетсякатализом. Каталитические реакции очень широко распространены как в химической технологии, так и в биологических процессах (ферментативный катализ). Многие реакции, которые на первый взгляд не являются каталитическими, в действительности ускоряются очень малыми количествами примесей (например, следовыми количествами воды или других веществ), всегда присутствующих в реакционной смеси, а в некоторых случаях катализатором может быть даже сам реакционный сосуд.

Влияние катализатора на скорость реакции обусловлено тем, что он входит в состав активного комплекса и изменяет энергию активации химической реакции.

При распаде активного комплекса происходит регенерация катализатора, т.е. теоретически катализатор не расходуется и остается химически неизменным. Поэтому в принципе одной малой порции катализатора достаточно для проведения реакции с любым количеством субстрата (реагирующего с катализатором вещества). Конечно, в реальных процессах катализатор расходуется из-за протекания побочных процессов, отравления, технологических потерь, изменения состояния поверхности твердых катализаторов и т.п.

Одним из важнейших свойств катализаторов является их селективность(избирательность) – каждый катализатор влияет на скорость одной реакции или какой-либо группы реакций. Различные катализаторы могут образовывать с одними и теми же исходными веществами как однотипные, так и различные по составу и структуре активные комплексы. Это может привести к изменению направления процесса и к образованию из одних и тех же исходных веществ различных продуктов.

Сказанное выше не означает, что катализатор может вызвать термодинамически невозможный в данных условиях процесс или повлиять на положение равновесия в обратимых реакциях. Суть в том, что если в данных условиях термодинамически возможно протекание нескольких параллельных реакций, то катализатор вследствие свойства селективности ускоряет одну из этих реакций. Положение равновесия для нее достигается значительно быстрее, чем для других реакций, поэтому основными продуктами будут вещества, образующиеся в этой реакции, а продукты других реакций будут присутствовать в качестве примесей к основным.

В некоторых случаях сами продукты реакции могут быть катализаторами и реакция самоускоряется с течением времени. Такие реакции называются автокаталитическими.

При протекании реакции катализатор и реагирующие вещества могут находиться в одной фазе (жидкой или газообразной), и такие реакции являются гомогенными каталитическими. Наиболее часто гомогенный катализ наблюдается в растворах. В случаегетерогенного катализакатализатор и реагирующие вещества находятся в разных фазах – в большинстве случаев катализатор твердый, а реагирующие вещества находятся в газообразной фазе или растворе.