ВЛИЯНИЕ КАТАЛИЗАТОРА НА СКОРОСТЬ РЕАКЦИИ
В химии для ускорения реакций очень широко используются вещества, называемые КАТАЛИЗАТОРАМИ. Эти вещества, резко ускоряя реакцию, сами в ходе нее не расходуются.
Механизм действия катализаторов очень сложен и до конца не изучен, поэтому предсказать, какой катализатор для данной реакции является наилучшим, часто невозможно. Эту проблему обычно решают чисто эмпирическим путем. Однако в настоящее время накоплен большой фактический материал, позволяющий делать некоторые обобщения. Катализатор, вступая во взаимодействие с исходными веществами, образует новое промежуточное состояние, которое легко превращается в продукты реакции. При этом сам катализатор в актехимической реакции между молекулами выступает в качестве некоторой матрицы, облегчающей взаимодействие как за счет снижения энергии активации, так и за счет стерических (пространственных) эффектов
путь реакции |
НННР |
Еа1 |
Еа2 |
А + В |
А···В |
АВ |
А··· К+В |
АК··· В |
АВ+К |
АК+В |
∆Екат |
А+В+К |
б) |
а) |
Еа
Рис.6.2. Энергетическая диаграмма реакции А + В = АВ: а) без катализатора и б) в присутствии катализатора
Еа – энергия активации некаталитической реакции; Еа1 и Еа2 – энергия активации каталитической реакции; АК – промежуточное реакционноспособное соединение катализатора с одним из реагентов; А…К, АК…В – активированные комплексы каталитической реакции; А…В - активированный комплекс некаталитической реакции; ∆Екат – снижение энергии активации под влиянием катализатора.
Считают, что катализатор ускоряет гетерогенную реакцию благодаря тому, что за счет адсорбционного взаимодействия ослабляет химические связи у реагирующих молекул и удерживает их в положении благоприятном для образования новых связей. Причем каталитический эффект, как правило, наступает только в случае обратимой адсорбции, когда энергия адсорбционного взаимодействия не слишком велика.
При увеличении энергии адсорбции каталитический эффект снижается. Таким образом, катализатор направляет химическую реакцию по новому, более энергетически легкому, пути, изменяя ее механизм.
Присутствие в реакционной среде катализатора приводит к снижению энергетического барьера, т.е. облегчает как прямую, так и обратную реакции. Поэтому говорят, что катализаторы ускоряют наступление состояния химического равновесия.
Еще одним признаком каталитической реакции может служить то, что в его присутствии тепловой эффект химической реакции не изменяется. Это видно и из диаграммы.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами. Типичным примером гомогенного катализа являются биохимические реакции с участием ферментов, которые, являясь катализаторами, во много раз увеличивают скорости реакций расщепления жиров и белков в организме.
При гетерогенном катализе реакции протекают на поверхности катализатора, который образует самостоятельную фазу.
Катализаторы очень часто проявляют специфичность действия, т.е. способны проявлять себя только в определенных реакциях. Благодаря этому из одних и тех же исходных веществ можно получать различные продукты.
Из практики известно, что далеко не вся поверхность катализатора является активной. Процесс активированной адсорбции может протекать только на отдельных центрах. Поэтому чем большеих количество на единице поверхности катализатора, тем выше его активность. Активность катализатора тем выше, чем выше запас его свободной энергии, т.е. чем выше его термодинамическая неустойчивость. Она, в свою очередь, определяется степенью дисперсности катализатора, степенью несовершенства кристаллов, числом деффектов, наличием примесей и т.д.
В 1929 году Баландиным была предложена мультиплетная теория гетерогенного катализа, в основу которой положен принцип структурного и энергетического соответствия между катализатором и реагирующими веществами. Согласно этой теории в качестве активных центров выступают мультиплеты - совокупности поверхностных атомов, которые отвечают принципу структурного и энергетического соответствия реагирующим молекулам. Структурное соответствие обеспечивает избирательное действие катализатора. Вторым условием активности катализатора является энергетическое соответствие связей в реагирующих молекулах связям, которые они образуют с атомами катализатора .
Ввиду ограниченности числа активных центров на работу катализаторов сильное влияние оказывают всевозможные примеси, которые могут блокировать их. Такие примеси называют КАТАЛИТИЧЕСКИМИ ЯДАМИ. Некоторые из них могут необратимо отравить катализатор, воздействие других можно исправить. Вещества, усиливающие каталитическую активность, называются ПРОМОТОРЫ. При необходимости замедлить химическую реакцию часто используют вещества, называемые ИНГИБИТОРАМИ.
Механизм действия ингибиторов различен. Они могут связывать промежуточные частицы в химически неактивные соединения, могут блокировать активные центры реакционной поверхности за счет адсорбции, могут способствовать обрыву реакционных цепей в цепных реакциях и т.д. Примерами ингибиторов можно считать вещества, препятствующие коррозии металлов, - уротропин или тетраэтилсвинец, который добавляется в бензин и замедляет взрывную реакцию его горения.
Дата добавления: 2021-01-26; просмотров: 626;