Катализ. Катализ – это изменение (в основном, увеличение) скорости химической реакции под воздействием веществ

Катализ – это изменение (в основном, увеличение) скорости химической реакции под воздействием веществ, называемых катализаторами. Катализатор – вещество, изменяющее скорость реакции, способное принимать участие в образовании промежуточных продуктов реакции, но остающееся после окончания реакции в неизменном виде и в том же количестве. Свойства катализаторов:

- остается в химически неизменном виде и в том же количестве в процессе реакции;

- отличается избирательностью действия (специфичностью), но существуют и универсальные катализаторы. Специфичность – способность изменять скорость или направление только конкретной реакции или группы сходных. Например:

- если реакция обратима, то катализатор ускоряет прямую и обратную реакции, ускоряя процесс достижения равновесия

Механизм действия катализатора – снижение энергии активации процесса с изменением его механизма. Катализ бывает гомогенный и гетерогенный.

Гомогенный катализ – реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе. Например: SO₂ + 0,5O₂ = SO₃. Катализатором этой реакции в газовой фазе является газообразный NО₂. В отсутствии катализатора реакция протекает очень медленно. Катализатор связывается с диоксидом серы: SO₂ + NО₂ = SO₃ + NО (промежуточным продуктом является также неустойчивая нитрозилсерная кислота, содержащая химически связанные оксиды азота [SO₂(ОН)ОNO]), а затем снова возвращается в свое исходное состояние по реакции: NO + 0,5O₂ = NО₂. Примеры гомогенного катализа:

Механизм действия катализатора можно объяснить как с позиций теории активных соударений, так и с позиций теории активированного комплекса.

Энергетическая диаграмма, поясняющая действие катализатора снижением общей энергии активации процесса в присутствии катализатора.

А + В = АВ, характеризуется Е_а

1) А + К = АК Е_а(1)

2) АК + В = АВ + К Е_а(2)

3) Е_а > Е_а(1) + Е_а(2)

Действие катализатора также объясняет теория активированного комплекса. Если реакция протекает через образование активированного комплекса, включающего в себя катализатор и один из реагентов, величина энергии активации процесса становится ниже, чем в случае протекания реакции без участия катализатора.

Гетерогенный катализ – реагирующие вещества и катализатор находятся в разных фазах. Например: Н₂О₂ = Н₂О + О₂, катализатор – MnO₂. В отличие от гомогенного катализа для гетерогенного катализа нет единой теории, объясняющей все наблюдаемые явления. Особенность гетерогенных каталитических реакций заключается в образовании на поверхности катализатора хемосорбционных комплексов, которые не способны существовать самостоятельно и не могут быть названы промежуточными соединениями. Характер взаимодействия в значительной степени зависит от электронной структуры твердого катализатора. Одни из самых распространенных гетерогенных катализаторов являются d- элементы и их оксиды. У d- элементов есть свободные р-орбитали для образования этих поверхностных промежуточных комплексов. Таким образом, катализатор направляет реакцию по новому пути, в котором энергия активации значительно меньше.

Достаточно универсальными гетерогенными катализаторами могут быть:

- d- элементы и их оксиды (платина, кобальт, никель, железо, ванадий и др.);

-оксиды алюминия и кремния, природные глины и соли алюминия;

- серная кислота (органический синтез).

Примеры гетерогенного катализа: гидрирование непредельных углеводородов (катализаторы – платина, оксиды кремния и алюминия); синтез аммиака (соли алюминия, губчатое железо); окисление диоксида серы до триоксида (платина или оксид ванадия (V )).

Существует такое понятие как автокатализ – катализатором является один из продуктов реакции. В данной реакции нитрит-ион , образующийся в первой стадии реакции, ускоряет процесс. Поэтому разбавленная азотная кислота действует на металлы быстрее и интенсивнее концентрированной азотной кислоты:

Ингибиторы – вещества, замедляющие скорость реакции. В отличие от катализатора ингибитор расходуется в процессе реакции, и расходование ингибитора снова приводит к очередному запуску основного процесса. Ингибитором коррозии железа может быть ион ОН^- или ортофосфорная кислота, действие которых связано с образованием на поверхности железа плотных пленок: оксидных или фосфатных.

Ингибитор отличается от каталитических ядов, которые «отравляют», т.е. необратимо взаимодействуют с катализатором, превращая его в другое вещество, не обладающее каталитической активностью.

Роль ингибитора часто сводится к переводу в неактивное состояние наиболее активных частиц реагирующих веществ, которые обусловливают быстрое течение процесса. Часто ингибиторы получают в результате разложения веществ или под воздействием внешних факторов(температура, свет) – это , как правило, часто бывает в цепных реакциях.