Більшу частину процесів, що лежать в основі хімічної технології, складають каталітичні реакції. Це пов'язано з тим, що при введенні каталізатора швидкість взаємодії речовин істотно збільшується. При цьому виробникам вдається скоротити витрати або ж отримати більшу кількість продуктів реакції за той же період часу. Саме тому вивчення каталізу приділяється багато уваги при підготовці технологів. Однак це явище відіграє важливу роль і в природі. Так, особливі речовини регулюють протікання біохімічних реакцій в живих організмах, впливаючи тим самим на обмін речовин.

Поняття каталізу

Суть цього хімічного явища полягає в регулюванні швидкості перетворення речовин з використанням особливих реагентів, які здатні уповільнювати або прискорювати цей процес. При цьому говорять про позитивному чи негативному каталізі. Існує також явище автокатализа, коли на швидкість реакції впливає один з проміжних продуктів хімічної реакції. Каталітичні процеси різноманітні, вони відрізняються механізмами, агрегатним станом з'єднань і напрямком. Речовини, які уповільнюють хімічні взаємодії, називають інгібіторами, а прискорюють каталітичні реакції - каталізаторами. І ті, і інші змінюють швидкість реакції шляхом багаторазового проміжного взаємодії з одним або декількома учасниками. При цьому вони не входять до складу продуктів і відновлюються після закінчення циклу перетворення речовин. Тому участь каталізатора не відображають у рівнянні реакції стехіометрично, а лише вказують як умова взаємодії речовин.

Види каталітичних реакцій

За агрегатним станом речовин, які беруть участь у хімічній реакції, розрізняють:

гомогенні реакції - реагують речовини, продукти та каталізатор перебувають в одному агрегатному стані (фазі), при цьому молекули речовин рівномірно розподілені по всьому об'єму;

міжфазні каталітичні реакції відбуваються на межі розділу незмішувані рідин, а роль каталізатора зводиться до перенесення реагентів через неї;

гетерогенні каталітичні реакції - у них каталізатор має відмінне від реагентів агрегатний стан, а сама вона здійснюється на поверхні розділу фаз;

гетерогенно-гомогенні реакції - ініціюються на поверхні розділу з каталізатором, а тривають в реакційному обсязі;

микрогетерогенные реакції - дрібні частинки твердого каталізатора утворюють міцели по всьому об'єму рідкої фази.

Існує також окислювально-відновний каталіз, що супроводжується зміною ступеня окислення каталізатора при взаємодії з реагентами. Такі перетворення називають каталітичними реакціями окислення і відновлення. Найбільш поширене в хімічному виробництві окислення діоксиду сірки до триоксиду при отриманні сірчаної кислоти.

Види каталізаторів

За агрегатним станом каталізатори бувають рідкі (H 2 SO 4 , Н 3 РВ 4 ), тверді (Pt, V 2 Про 5 , Al 2 Про 3 ) і газоподібні (BF 3 ). За типом речовини каталізатори класифікують на:

метали - можуть бути чистими, сплавами, цільними або нанесеними на пористу основу (Fe, Pt, Ni, Cu);

сполуки металів типу М m Е n - найбільш поширені оксиди Mg, Al 2 Про 3 , Мго 3 та ін;

кислоти і підстави - використовуються для кислотно-основних каталітичних реакцій, це можуть бути кислоти Льюїса, Бренстеда та ін.;

комплекси металів - у цю групу включають також солі перехідних металів, наприклад PdCl 2 , Ni(СО) 4 ;

ферменти (вони ж ензими) - біокаталізатори, що прискорюють реакції, що йдуть в живих організмах.

За специфікою електронної будови розрізняють d-каталізатори, що мають d-електрони і d-орбіталі, а також s,р-каталізатори, центром яких є елемент з валентними s і р-електронами.

Властивості каталізаторів

Для ефективного використання до них застосовується досить великий список вимог, що змінюється, для конкретного процесу. Але найбільш значущими є наступні дві властивості каталізаторів:

Специфічність полягає в здатності каталізаторів впливати на одну реакцію або ряд однотипних перетворень і не впливати на швидкість інших. Так, платина найчастіше використовується в органічних реакціях гідрування.

Селективність, характеризується здатністю прискорювати одну з декількох можливих паралельно протікаючих реакцій, тим самим збільшувати вихід найбільш важливого продукту.

Швидкість каталітичної реакції

Причиною прискорення взаємодії речовин є утворення активного комплексу з каталізатором, що приводить до зниження енергії активації. Відповідно до основного постулату хімічної кінетики, швидкість будь-якої хімічної реакції прямо пропорційна добутку концентрацій вихідних речовин, що взяті в ступенях, відповідних їх стехіометричних коефіцієнтів: v = k • З А х • З У у • З D z , де k - константа швидкості хімічної реакції, чисельно рівна швидкості цієї реакції, за умови, що концентрації вихідних сполук дорівнюють 1 моль/л. По рівнянню Арреніуса k залежить від енергії активації: k = A • exp^(-Е А /RT). Зазначені закономірності справедливі і для каталітичних реакцій. Це підтверджує і рівняння, для відношення констант швидкостей: k K /k = A До /А • exp^((Е А -Е АК )/RT), де змінні з індексом К відносяться до каталітичних реакцій.

Стадії каталітичних реакцій

Для гомогенних каталітичних реакцій достатньо двох основних стадій:

Утворення активованого комплексу: А + ДО -> АК.

Взаємодія активованого комплексу з іншими вихідними речовинами: АК + В -> С + К.

У загальному вигляді записують рівняння виду А + В -> С.
Механізм гетерогенних каталітичних реакцій складний. Виділяють наступні шість стадій:

Підведення до поверхні каталізатора вихідних сполук.

Адсорбція вихідних реагентів поверхнею каталізатора і утворення проміжного комплексу: А + В + ДО -> АВК.

Активація утворився комплексу: АВК -> АВК * .

Розпад комплексного з'єднання, при цьому утворилися продукти адсорбовані каталізатором: АВК * -> CDK.

Десорбція отриманих продуктів поверхнею каталізатора: CDK -> С + D + К.

Відведення продуктів від каталізатора.

Приклади каталітичних реакцій

Каталізатори використовують не тільки в хімічній промисловості. Будь-яка людина у своєму повсякденному житті стикається з різними каталітичними реакціями. Це, наприклад, використання перекису водню при обробці ран. Пероксид водню при взаємодії з кров'ю починає розкладатися під впливом ферменту каталази : 2Н 2 Про 2 -> Про 2 + 2Н 2 О. У сучасних автомобілях система вихлопу забезпечена особливими каталітичними камерами, сприяють розкладанню шкідливих газоподібних речовин. Наприклад, платина або родій допомагають знижувати рівень забруднення навколишнього середовища оксидами азоту, які руйнуються з утворенням нешкідливих Про 2 і N 2 . У деяких зубних пастах містяться ферменти, які ініціюють розкладання зубного нальоту і залишків їжі.