Катализ, его особенности и роль в развитии промышленности

Катализ является основным средством осуществления химических превращения в природе и в практической деятельности человека.

Человечество столкнулось с явлениями, которые называют «катализом», очень давно и было связано с практическим опытом: брожение фруктовых соков и последовательное превращение в вино, а при хранении - в уксус; из молока может выделяться рыхлая масса – творог и т.д. Сейчас известно, что все эти процессы совершаются при участии биологических катализаторов – ферментов или энзимов, являющихся сложными соединениями белковой природы.

Понимание смысла каталитических явлений углублялось постепенно. Еще в 16 веке химик Андрей Либавиус применял термин «катализ». Однако оно обозначало тогда процессы разложения, а не реакции, ускоряемые каким либо определенным веществом. Вероятно, Джабир ибн-Хаян (8 век) был одним из первых алхимиков, применившим каталитических процесс для получения органического соединения: из спирта синтезировал эфир путем нагревания с H₂SO₄, игравшей роль катализатора.

Швед Й. Берцелиус в 1835 г. ввел понятие «катализ» от греческого «katalysis - разрушение».

Если при увеличении температуры и давления химические реакции ускоряются в десятки раз, то под воздействием катализаторов – в сотни и тысячи раз. В настоящее время до 90% вводимых многотоннажных химических производств включают каталитические процессы, как основные стадии. До 1940 года при переработке нефти катализаторы совершенно не применялись, а в настоящее время с помощью катализаторов производится основное количество моторного топлива и других продуктов из нефти. Быстро распространяются каталитические методы очистки технологических и обезвреживания выхлопных газов. Растет применение катализаторов в пищевой, фармацевтической и других отраслях промышленности. Многие производства невозможно провести без применения катализаторов: а) синтез аммиака; б) окисление аммиака до NO; в) получение синтетического горючего из СО и водорода, производимых путем газификации угля водяным паром; г) синтез спиртов. Все перечисленные реакции идут и без катализатора, но с ничтожно малыми скоростями, что для их осуществления потребовались бы реакторы высотой несколько сот километров или колонны диаметром до километра.

Современная формулировка: катализ – это возбуждение или изменение скорости химических реакций под влиянием веществ - катализаторов, многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой состав.

Анализ понятия «катализ»:

1) химическая сущность катализа проявляется вследствие промежуточного химического взаимодействия катализатора с молекулами реагирующих соединений;

2) катализатор не расходуется в процессе катализа и сохраняет свой состав в результате промежуточных химических взаимодействий; наблюдаемые иногда изменения пористости, состава или структуры катализатора в процессе катализа не связаны с каталитическим действием, а обусловлены протеканием побочных процессов при взаимодействии с примесями или компонентами реакционной смеси (водяной пар; хлористый водород; оксиды серы, азота или углерода); при повышенных (более 500°С) температурах, ускоряющих диффузионные процессы переноса массы на поверхности катализатора;

3) катализатор не входит в состав продуктов;

4) катализатор не находится в стехиометрических отношениях с продуктами; количество реагирующего вещества, которое превращается в присутствии катализатора не связано со стехиометрией химической реакции. Например,1 мас. часть Pt-катализатора вызывает превращения в производстве H₂SO₄ (окисление SO₂ до SO₃) 10⁴ мас. частей; при получении азотной кислоты (окисление NH₃ до NO) на Pt-Pd-катализаторе - 10⁶ мас. частей, а при окислении нафталина во фталевый ангидрид на ванадиевом катализаторе 10³ мас. частей реагирующего вещества;

5) каталитическое действие не изменяет свободную энергию (изобарно-изотермический потенциал - DG°) катализатора. Так как катализатор остается неизменным в процессе реакции, то его присутствие не вносит энергию в реагирующую смесь. Следовательно, при протекании реакции вблизи состояния равновесия катализаторы одинаково ускоряют как прямую, так и обратную реакции. Данное утверждение следует из уравнения: К_р = - DG°/(R×T), где К_р - константа равновесия, R - газовая постоянная; Т – температура. Однако вдали от состояния равновесия это действие катализаторов может не выполняться;

6) количество превращенного вещества, как правило, не зависит от концентрации (количества) катализатора. Этим каталитические реакции отличаются от сопряженных, когда при совместном протекании двух химических реакций, из которых одна (например, А + В) обусловливает или ускоряет непроизвольный вторичный процесс (реакцию А + С). Такие реакции характеризуются фактором индукции, указывающим сколько молекул С вступило в реакцию в расчете на одну прореагировавшую молекулу В;

7) катализатор направляет и ускоряет химические реакции, которые в его отсутствии не протекают или идут крайне медленно и многостадийно;

8) катализатор действует, как правило, избирательно и в малых количествах;

9) применение катализаторов позволяет осуществлять процессы непрерывно, поточными или циклическими методами.

Развитие теории катализа идет преимущественно по пути частных обобщений. Были сформулированы отдельные теоретические концепции, отражающие особенности гомогенного, гетерогенного и ферментативного катализа, которые в будущем могут оказаться составными частями единой теории катализа.

Перспективными направлениями научного поиска в области катализа является попытки разработать катализаторы для процесса окислительной поликонденсации природных газов, например, СН₄, с целью получения более дешевых ценных полимеров – полиэтилена, полипропилена, нейлона и других; создании новых классов металлоорганических катализаторов, имитирующих ферменты; поиск более дешевых каталитических процессов связывания атмосферного азота.

Широкое применение катализа для осуществления химических реакций привело к быстрому росту производства катализаторов, формирующегося в отдельную отрасль химической промышленности. В настоящее время промышленность России использует более 100 сортов твердых катализаторов, из которых некоторые потребляются в количестве десятков тысяч тонн.

В катализе еще много неразгаданных тайн, отсутствует много необходимых катализаторов. Например, в природе под воздействием каких-то катализаторов осуществляется синтез аммиака при атмосферном давлении, а на производстве – под давлением сотни атмосфер.

В принципе многие вещества могут быть катализаторами в каких-либо реакциях. Однако требуется большая исследовательская работа, чтобы для данной реакции найти катализатор с оптимальными свойствами. Разработка теоретических основ подбора катализаторов или, как говорят, предвидение каталитического действия – очень важная современная проблема каталитической химии. Второй ее стороной является предвидение того, какие реакции способен проводить данный катализатор. Химические превращения в каталитических процессах отличаются от обычных химических реакций по меньшей мере тем, что в них всегда участвует один дополнительный компонент – катализатор, не входящий в стехиометрические уравнения реакции, обуславливая специфику каталитических превращений.

Гетерогенные катализаторы, как правило, твердые тела, поэтому необходимо учитывать физические и химические свойства катализаторов для объяснения механизма их действия, что ставит гетерогенный катализ в пограничную область между собственно химией и физикой твердого тела.