Влияние катализатора на скорость реакции

Вещества, не расходующиеся в результате прохождения химической реакции, но изменяющие ее скорость, называются катализаторами. Явление изменения скорости реакции под действием катализатора называется катализом, а реакции называются каталитическими.

Бывают катализаторы, как ускоряющие протекание реакции, так и замедляющие ее. В случае увеличения скорости – катализ положительный, в случае уменьшении скорости – отрицательный катализ. Катализаторы, уменьшающие скорость реакции, называются ингибиторами.

Каталитические процессы очень распространены в природе, а в промышленности: 3/4 всех производств основаны на применении катализаторов. Например, их используют при получении аммиака, азотной и серной кислот, метанола, водорода, хлора, этилена и других продуктов химической промышленности, при крекинге углеводородов, производстве маргарина, при очистке выбросов автомобилей и др.

В большинстве случаев действие катализатора объясняется тем, что он снижает энергию активации реакции, т.к. реакция проходит через другие промежуточные стадии, чем без него, причем эти стадии энергетически более доступны. Таким образом, энергия активации реакции понижается; некоторые молекулы, энергия которых была недостаточна для активных столкновений, теперь оказываются активными.

Различают гомогенный (однородный), гетерогенный (неоднородный) катализ и биокатализ (катализ ферментами).

В гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества находятся в одном агрегатном состоянии (газообразная или жидкая фаза). Примером гомогенного катализа является нитрозный способ получения серной кислоты:

Механизм гомогенного катализа можно объяснить на основании теории промежуточных соединений. Согласно этой теории катализатор взаимодействует с одним из исходных веществ, образуя промежуточное соединение. Последнее энергично взаимодействует с другим компонентом реакционной смеси, при этом катализатор освобождается. Сказанное выглядит следующим образом:

В гетерогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях. В качестве гетерогенных катализаторов служат: мелкораздробленная и губчатая платина, V₂O₅, соли никеля, ртути, меди и др. В гетерогенном катализе исключительно большое значение имеет поверхность соприкосновения реакционной смеси с катализатором: поверхность катализатора должна быть большой. В каталитических процессах не применяют сплошных масс катализаторов, а наносят его в мелко раздробленном состоянии на какие-нибудь пористые или рыхлые подложки (например, платинированный асбест). Примером гетерогенного катализа является контактный способ получения серной кислоты:

Действие катализатора в гетерогенных процессах связано с адсорбцией (адсорбция – поглощение одного из реагирующих веществ на поверхности раздела фаз) реагирующих веществ на его неровной поверхности. В этом случае адсорбция носит специфический характер, т.е. зависит от природы катализатора и реагирующего вещества. Под влиянием силового поля катализатора электронные оболочки адсорбированных молекул деформируются, а сами молекулы становятся более активными и реакционноспособными. Для того чтобы началась реакция, потребуется меньшая энергия активации, чем для той же реакции, но без катализатора. Снижение энергии активации, нужной для протекания реакции, является главной причиной ускоряющего действия катализатора. С участием катализатора реакции, как правило, протекают при более низкой температуре, чем без него. Роль катализатора сводится к направлению процесса по наиболее энергетически выгодному пути.

Следует отметить, что в настоящее время широкое распространение получают ингибиторы, замедляющие нежелательные процессы (например, коррозию металлов, прогоркание пищевых жиров, окисление каучуков, детонацию топлива в двигателях внутреннего сгорания и т. д.).