Катализ

Вещества, ускоряющие химическую реакцию – катализаторы.

Катализ – изменение скорости реакции под действием катализатора.

Ингибиторы – уменьшают скорость.

Катализатор вступает во взаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточных продуктов и направляет процесс по новому реакционному пути. Механизм действия катализатора заключается в изменении пути процесса превращения. Новый путь характеризуется меньшей энергией активации.

1) Без кат:

А +В → А…В → АВ

2) С кат:

А + К « АК

АК + В → В…АК

В…АК → АВ + К

(Рис. презентация МГУ, с 39)

Поскольку, согласно уравнению Аррениуса, константа скорости химической реакции находится в экспоненциальной зависимости от величины энергии активации, уменьшение последней вызывает значительное увеличение константы скорости. Действительно, если предположить, что предэкспоненциальные множители в уравнении Аррениуса (II.32) для каталитической и некаталитической реакций близки, то для отношения констант скорости можно записать:

(II.44)

 

Катализатор не влияет на термодинамику, не изменяют энтальпию и энергию Гиббса, не влияет на константу равновесия.

Гомогенные каталитические реакции: все реагенты и катализатор в одной фазе.

Примеры:

СО +О2 → СО2 (кат – Н2О г)

СН3СНО → СН4 + СО (кат – I2 г)

Н2О2 → Н2О + О2 (тяжелые металлы, Fe²⁺, кровь, I^-)

Гетерогенный катализ – реагирующая система и катализатор находятся в разных фазах.

Несколько стадий процесса

1) диффузия частиц к катализатору

2) адсорбция на поверхности катализатора

3) хим. реакция

4) десорбция

5) диффузия продуктов от поверхности

Н2 +О2 → Н2О (губчатая платина)

N2 +H2 → NH3 (Fe3O4, Cr2O3)

Специфической особенностью гетерокаталитических процессов является способность катализатора к промотированию и отравлению.

Промотирование – увеличение активности катализатора в присутствии веществ, которые сами не являются катализаторами данного процесса (промоторов). Например, для катализируемой металлическим никелем реакции

СО + Н2 ––> СН4 + Н2О

введение в никелевый катализатор небольшой примеси церия приводит к резкому возрастанию активности катализатора.

Отравление – резкое снижение активности катализатора в присутствии некоторых веществ (т. н. каталитических ядов). Например, для реакции синтеза аммиака (катализатор – губчатое железо), присутствие в реакционной смеси соединений кислорода или серы вызывает резкое снижение активности железного катализатора; в то же время способность катализатора адсорбировать исходные вещества снижается очень незначительно.