Механизм действия катализаторов

Единой теории катализа до настоящего времени нет. Однако накопленный экспериментальный материал позволяет сделать заключение о том, что катализатор способен входить в состав промежуточного соединения (активированного комплекса). При этом снижается энергия активации и происходит ускорение как прямой, так и обратной реакции. Важно понимать, что катализатор не может вызвать термодинамически невозможный процесс. Более того, катализатор не смещает химического равновесия, а лишь ускоряет его достижение.

О том, что катализатор участвует в химической реакции, говорит, например, то, что физическое состояние катализатора в ходе реакции может существенно изменяться. Так, крупнокристаллический диоксид марганца, катализирующий распад бертолетовой соли, после реакции превращается в мелкий порошок. В принципе это изменение степени дисперсности может отразиться на каталитической активности, но в небольшой степени.

Поэтому под неизменяемостью катализатора в ходе реакции имеют в виду постоянство его количества и химического состава до и после реакции.

Гомогенный катализ

Многие реакции в газовой фазе носят отчётливо выраженный каталитический характер. Таковы, в частности, процессы, катализатором которых является молекулярный иод. Например, скорость реакции разложения диэтилового эфира

C₂H₅OC₂H₅ ® C₂H₆ + CH₄ + CO

в присутствии иода увеличивается по сравнению с некаталитическим пиролизом примерно в 10 000 раз. В данном случае это связано с изменением механизма реакции. Первичный процесс заключается в расщеплении молекулы эфира под действием иода и в образовании в качестве промежуточных соединений иодэтана, иодида водорода и уксусного альдегида:

C₂H₅OC₂H₅ + J₂ ® CH₃CH₂J + HJ + CH₃CHO

Вторичные процессы, приводящие к образованию продуктов реакции, заключаются в образовании этана с регенерацией катализатора:

CH₃CH₂J + HJ ® C₂H₆ + J₂

и в распаде уксусного альдегида:

CH₃CHO ® CH₄ + CO

По сравнению с некаталитической реакцией (Е* = 216,73 кДж/моль) в этой каталитической реакции энергия активации снижается до 74,475 кДж/моль.

Гомогенно-каталитические реакции особенно распространены при проведении процессов в жидкой фазе. В большинстве случаев при этом приходится встречаться с кислотно-основным катализом. К таким процессам относятся ускоряющиеся под действием водородных ионов реакции этерификации и гидролиза сложных эфиров, инверсии сахарозы и т. п. (кислотный катализ). И в этих реакциях роль катализатора (ионов Н⁺) формально сводится к снижению энергии активации. В некоторых случаях кислотно-основного катализа катализатором являются ионы ОН^-, иногда недиссоциированные молекулы слабых кислот и оснований. В общем, можно сказать, что кислотно-основный катализ основан на протолитическом взаимодействии между катализатором и реагирующим веществом, как правило, не обладающим ярко выраженными кислотными или основными свойствами. Для реакций, протекающих по механизму кислотно-основного катализа, характерно то, что они не сопровождаются разрывом электронных пар в реагирующих веществах. К гомогенному катализу можно отнести и переваривание жидкой пищи в желудке под действием желудочного сока.

С.Аррениусом было установлено, что каталитическое действие кислот может быть усилено добавлением в реакционную смесь нейтральных солей, не имеющих общих анионов с кислотой (первичный солевой эффект), или имеющих такие общие анионы (вторичный солевой эффект). Природа солевых эффектов пока неясна.