Влияние катализаторов на скорость химической реакции

Наиболее мощным средством интенсификации химических реакций является применение катализаторов, т.е. веществ, которые ускоряют химические реакции, но не испытывают химические превращения в их результате. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Катализаторы не влияют на термодинамику реакции, т.е. не изменяют энтальпию и энергию Гиббса реакции. Если энергия Гиббса реакции положительна, то в присутствии катализаторов эта реакция не станет самопроизвольной.

Кроме способности ускорять реакции, катализаторы обладают селективностью (избирательностью). Под влиянием катализаторов реакции могут протекать более избирательно, то есть с увеличением выхода определенных продуктов. Например, этанол – С₂Н₅ОН в присутствии оксидов алюминия и тория разлагается на этилен и воду:

С₂Н₅ОН → C₂Н₄ + Н₂O,

а в присутствии никеля, железа, серебра или меди — на ацетальдегид и водород:

С₂Н₅ОН → СН₃СОН + H₂.

Каталитическая активность (то есть способность ускорения реакции) многих катализаторов возрастает при добавлении небольших количеств некоторых веществ, называемых промоторами, которые без катализатора каталитически неактивны. Например, скорость окисления диоксида серы (SO₂) на катализаторе оксиде ванадия (V) возрастает в сотни раз при добавлении к V₂O₅ сульфатов щелочных металлов.

В тоже время имеются вещества, которые ухудшают каталитическую активность. Их называют каталитическими ядами. Например, ртуть, соединения серы, мышьяка могут отравить платиновый катализатор.

Механизм катализа зависит от типа реакции.

Различают гомогенный катализ (катализатор находится в том же агрегатном состянии, что и реагирующие вещества), например, в нитрозном способе получения серной кислоты – катализатором окисления сернистого газа до серного ангидрида является газообразный оксид азота (II):

2NO + O₂ = 2NO₂,

SO₂ + NO₂ = SO₃ + NO.

Гетерогенный катализ, например, в контактном способе получения серной кислоты – катализатором окисления оксида серы является твердый V₂O₅.

Ускорение каталитической реакции в основном вызывается уменьшением энергии активации при образовании промежуточного комплекса реагента с катализатором. В промежуточном комплексе катализатор вызывает перераспределение электронной плотности связи в молекуле реагирующего вещества, прочность связи понижается, для ее разрыва требуется меньшая затрата энергии.

Все реакции в живой клетке катализируются ферментами – биологическими катализаторами. Ферменты являются полимерами (белками) или комплексами полимеров с низкомолекулярными соединениями – активными центрами, которые и осуществляют превращения. Механизм их действия включает образование комплекса «активный центр фермента – реагент» по типу «замок-ключ». Ферменты значительно активнее неферментативных катализаторов. Например, фермент каталаза снижает энергию активации реакции разложения пероксида водорода в 10 раз, а скорость реакции увеличивает более чем на 10 порядков.