Влияние катализатора на скорость реакции

Катализатором называют вещество, которое изменяет скорость химической реакции, но само при этом не претерпевает никаких устойчивых изменений. Полагают, что катализатор принимает участие в промежуточных реакциях, но в конце процесса восстанавливается в исходное состояние. Для проведения реакции обычно требуется небольшое количество катализатора. Катализаторы могут ускорять реакцию (положительные катализаторы, катализаторы) или замедлять ее (отрицательные катализаторы, ингибиторы). Действие катализатора специфично: вещество, укоряющее одну реакцию, может оказаться совершенно неэффективным для других реакций. Механизм действия катализаторов исследован не до конца, однако обнаружено, что присутствие положительного катализатора приводит к повышению относительного содержания активных молекул, энергия активации понижается, и скорость реакции возрастает. Зависимость скорости реакции от природы и количества катализатора определяется, как правило, экспериментально.

Можно выделить основные типы катализаторов:

а) гомогенные, если реагирующие вещества и катализатор находятся в одном агрегатном состоянии, не имея границы раздела фаз (в газообразном состоянии или в растворе);

б) гетерогенные, когда реагенты и катализатор находятся в разных агрегатных состояниях (в промышленности чаще всего применяют смесь жидкостей и газов в присутствии твёрдого катализатора);

в) биологические катализаторы – ферменты, это своеобразные белковые тела, участвующие в процессе обмена веществ. Предполагается, что в организме человека одновременно функционируют около 1000 ферментов.

Рассмотрим гомогенный катализ на примере нитрозного способа получения серной кислоты. Явление гомогенного катализа находит свое объяснение в теории промежуточных соединений. Главным положением этой теории является представление о том, что катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя промежуточное соединение, которое затем энергично взаимодействует с другим компонентом, образуя конечный продукт реакции, при этом катализатор восстанавливается в исходном состоянии и вновь может принимать участие в реакциях:

Катализатор направляет реакцию по другому пути, с образованием других промежуточных частиц, при этом энергия активации каталитической реакции оказывается ниже энергии активации исходной реакции, вследствие этого больше молекул становятся способны преодолеть энергетический барьер, и скорость реакции резко увеличивается (рис. 3).

Рис.3. Энергетическая диаграмма реакции без катализатора (1) и с катализатором (2), где E_a – энергия активации реакции A + B = AB без катализатора; E_aк. – энергия активации каталитической реакции с образованием промежуточного комплекса ABK.

Примером катализатора в жидких однофазных системах может служить ион водорода Н⁺, который ускоряет многие реакции, протекающие в водных растворах. В последние годы в качестве гомогенных катализаторов стали широко применять комплексные соединения переходных металлов. Одним из распространенных катализаторов является вода, во многих случаях присутствие следов влаги является необходимым условием протекания реакции.

При гетерогенном катализереакционная смесь и катализатор образуют разные фазы, реагенты находятся в жидкой или газовой фазе, а реакция проходит на поверхности твёрдого катализатора.

В качестве катализаторов могут быть использованы различные вещества: мелкораздробленная и губчатая платина, оксид ванадия V₂O₅ и соли ванадиевой кислоты – ванадаты, соли меди, никеля, ртути, оксиды алюминия и железа – Al₂O₃, Fe₂O₃ и многие другие. При гетерогенном катализе большое значение имеет поверхность соприкосновения реагентов с катализатором, поэтому на практике применяют катализаторы с разветвленной поверхностью: наносят катализатор в мелкораздробленном виде на инертный носитель. В качестве такого носителя может использоваться, например, керамика, асбест, глина и др.

Согласно адсорбционной теории гетерогенного катализа, на поверхности катализатора происходит адсорбция реагентов, т.е. сгущение газообразных или растворенных веществ. Происходит ослабление связей между атомами в молекулах исходных веществ, за счет этого снижается энергия активации катализируемой реакции, которая протекает с высокой скоростью на поверхности катализатора. Молекула продукта уходит с поверхности катализатора, освобождая её для адсорбции следующих молекул исходных веществ. Таким образом, процесс протекает в несколько стадий:

1) адсорбция реагирующих веществ на поверхности катализатора;

2) диффузия веществ вдоль поверхности;

3) реакция молекул, адсорбированных на активных участках катализатора,

4) десорбция продуктов реакции.

Примеры гетерогенного катализа: синтез аммиака (катализатор Fe на асбесте, на Al₂O₃); окисление SO₂ в SO₃ контактным методом (катализаторы Pt и Pd на SiO₂ и на Al₂O₃); крекинг нефти (катализаторы – алюмосиликаты и оксид хрома); конверторы-нейтрализаторы в автомобилях и многие др.