Основные свойства катализаторов и факторы, влияющие на катализ.
Характерной особенностью катализаторов является их избирательность, «специфичность», т. е. способность действовать ускоряюще только на опреде
ленную реакцию или группу реакций. Особенно ярко проявляется специфичность у ферментов. Так, фермент, действующий на сахарозу, не гидролизует крахмал.
Иногда применение разных катализаторов приводит к образованию совершенно различных продуктов из одних и тех же исходных веществ. В этом случае каждый катализатор вызывает ускорение реакции только в одном из возможных направлений. Например, реакция взаимодействия оксида углерода с водородом может идти по следующим направлениям в зависимости от применяемого катализатора:
При использовании в качестве катализатора меди и давлении в пределах 30—40 МПа продуктом реакции будет метиловый спирт (2). При применении в качестве катализатора никеля и температуре 523 К реакция будет идти по пути образования метана (4). Если же помимо меди и давления в 30—40 МПа в систему добавить щелочь, то продуктами реакции явятся высшие спирты (3).
Теория избирательного действия катализаторов еще не изучена в должной мере. Можно лишь предполагать, что оно зависит в какой-то мере от соответствия между расстояниями атомов в молекуле и активными центрами на поверхности катализатора.
Важным условием катализа является то, что для успешного проведения реакции количество катализатора обычно бывает очень невелико по сравнению с количеством реагирующих веществ. Так в производстве серной кислоты на 1 мас. ч. катализатора превращается 104 мас. ч. реагирующих веществ, а в производстве азотной кислоты окислением аммиака на 1 мас. ч. катализатора превращается 106 мас. ч. исходных веществ. Для заметного ускорения процесса окисления Na2SO3 в водном растворе достаточно добавить в качестве катализатора CuSO4 в концентрации порядка 10-12.
Важной отличительной чертой катализаторов является их способность снижать энергию активации катализируемой реакции.
В присутствии катализатора образуют промежуточные продукты реакции, в силу чего процесс может протекать при более низкой энергии активации. Причины снижения энергии активации при каталитических процессах во многом еще остаются невыясненными. Опыт показывает, что для разложения пероксида водорода на воду и кислород без катализатора требуется энергия активации 75,312 кДж/моль, при использовании в качестве катализатора коллоидной платины энергия активации понижается до 48,953 кДж/моль, а при действии фермента каталазы — до 23,012 кДж/моль.
Большое влияние на скорость каталитической реакции оказывает степень дисперсности катализатора. Увеличение активности катализатора с повышением степени дисперсности его происходит до определенного предела, затем она начинает падать. Объясняется это тем, что при дальнейшем увеличении степени дисперсности катализатора исчезает гетерогенность системы (вместо коллоидного раствора образуется истинный).
Помимо степени дисперсности, на активность катализаторов большое влияние оказывают и другие факторы. Рассмотрим каждый из них в отдельности.
Влияние температуры.С повышением температуры скорость каталитических реакций увеличивается. Повышение температуры оказывает влияние не только на активность катализаторов, но иногда и на направление каталитической реакции.
Каждый катализатор проявляет свою максимальную активность в той или иной химической реакции при определенной температуре. Отклонения от этой температуры как в ту, так и в другую сторону снижают активность катализатора. Вот почему при экзотермических каталитических процессах, осуществляемых в условиях производства, необходимо все время заботиться об отводе избытка тепла.
Биологические катализаторы — ферменты — также весьма чувствительны к изменению температуры в силу своей белковой природы.
Влияние давления. Как показывает опыт, скорость некоторых каталитических реакций весьма существенно зависит и от давления. Особенно это характерно для реакций, идущих с изменением объема. Увеличение давления положительно сказывается на скорости таких реакций. Некоторые каталитические реакции вообще не могут идти при нормальном давлении, например реакции синтеза высших спиртов и др.
В ряде случаев каталитические реакции, протекающие и без уменьшения объема, увеличивают свою скорость при повышении давления, что, по-видимому, связано с увеличением числа эффективных столкновений реагирующих молекул.
Влияние растворителя.В зависимости от природы растворителя скорость каталитических реакций может довольно заметно изменяться. Полная исчерпывающая теория этого явления в настоящее время еще не разработана. Можно лишь предполагать, что растворитель каким-то способом активизирует молекулы реагирующих веществ, делает их более реакционноспособными. При этом большое значение имеет полярность молекул растворителя, под влиянием которой молекулы реагирующих веществ переходят в более активную ионизированную форму.
Дата добавления: 2016-02-20; просмотров: 5607;