Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции, количественно и качественно при этом не изменяясь. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализатора называется катализом.
В некоторых случаях необходимо, наоборот, уменьшать скорость химических реакций, например, коррозию, взаимодействие водорода с фтором, которое в обычных условиях сопровождается взрывом, и т. д. Для этого используются другие вещества – ингибиторы.
Вещества, которые замедляют скорость химических процессов, а сами при этом не изменяются, называются ингибиторами.
Катализаторы обладают интересными специфическими особенностями (рис. 7.10). Не изменяясь в процессе реакции, они уменьшают энергию активации, но при этом не влияют на изменение термодинамических функций (DН,DG,DS) и на состояние химического равновесия, в одинаковой мере увеличивая скорости как прямой, так и обратной реакций.
Рисунок 7.10 – Некоторые специфические особенности катализаторов
По агрегатному состоянию катализаторы бывают твердые, жидкие и газообразные, поэтому каталитические процессы делятся на гомогенные и гетерогенные.
Доказано, что в присутствии катализаторов химическая реакция протекает по другому пути, через другие промежуточные состояния. При этом энергия активации каталитической реакции ЕА,к ниже, чем энергия активации некаталитической реакции ЕА, то есть молекулам реагентов для взаимодействия между собой нужно преодолеть более низкий энергетический барьер (рис. 7.11).
Рисунок 7.11 – Энергетическая диаграмма реакции между веществами А и В в присутствии катализатора К: на первой стадии образуется промежуточное нестойкое соединение одного из реагентов с катализатором (АК), а на второй – конечный продукт АВ и регенерированный катализатор К. Пунктирной кривой показана энергетическая схема этой же реакции без катализатора
При гомогенном катализе все реагирующие вещества находятся с катализатором в одной фазе (газообразной или жидкой). Механизм гомогенного катализа заключается в образовании промежуточных соединений реагента с катализатором. Так, реакция между реагентами А и В через промежуточное состояние AB* проходит по уравнению
А + В AB* AB,
а в присутствии катализатора может происходить через два (или более) промежуточных состояния по такой схеме:
А + К AK* AK,
AK + B AKB* AB + K.
Катализатор К сначала образует с одним из веществ А нестойкое промежуточное соединение – активированный комплекс АК, а затем катализатор вытесняется из АК вторым реагентом В.
В качестве примера гомогенного катализа можно рассмотреть реакцию окисления оксида серы (IV) SO2(г) кислородом O2(г) в присутствии катализатора NO(г) (рис. 7.12).
Рисунок 7.12 – Механизм гомогенного катализа: а) общее уравнение каталической реакции между реагентами SO2(г) и O2(г) в присутствии катализатора NO(г); б) первая стадия, в которой катализатор взаимодействует с одним из исходных веществ – кислородом и окисляется при этом до NO2; в) на второй стадии происходит регенерация NO2 при его взаимодействии с другим исходным веществом (SO2) до возвращения первоначальной формы катализатора NO(г); г) энергетические схемы реакции SO2(г) + O2(г)) SO3(г) без катализатора и в его присутствии
К гомогенным каталитическим реакциям относятся многочисленные природные процессы, катализируемые ферментами – биологическими катализаторами (обычно это белковые молекулы), которые ускоряют многие реакции, протекающие в клетке, в десятки тысяч раз. Например, при обработке ран пероксидом водорода происходит сопровождаемое интенсивным шипением разложение препарата (2Н2О2?О2+2Н2О) в результате каталитического действия фермента крови – каталазы, роль которой в организме заключается в поддержании оптимальной концентрации пероксидов в тканях человека и животных. Для сравнения: каталаза увеличивает скорость упомянутой реакции разложения Н2О2 в 1010раз, в то время как платина – в 1,2·105раз.
При гетерогенном катализе реагенты и катализаторы находятся в разных фазах и имеют границу раздела. Cкорость гетерогенной каталитической реакции зависит от площади поверхности катализатора, поэтому обычно используют катализаторы с большой поверхностью или наносят их тонким слоем на пористый материал – уголь, силикагель и т. п. Типичным примером гетерогенного катализа является процесс
Рисунок 7.13 – Механизм гетерогенного катализа при окислении оксида серы (IV)
окисления оксида серы (IV) SO2(г) кислородом O2(г) на поверхности твердого катализатора V2O5(тв) (рис. 7.13).
В качестве других примеров гетерогенного катализа можно привести синтез аммиака:
разложения пероксида водорода в присутствии оксида MnO2:
или ускорение платиновым катализатором реакции гидрирования этилена (рис. 7.14):
Важным свойством катализаторов является их селективность – способность направлять взаимодействие между одними и теми же исходными веществами по разному пути. Например:
Рисунок 7.14 – Схема каталитического гидрирование этилена на платиновом катализаторе
Существуют вещества, которые ухудшают каталитическую активность – каталитические яды. Так, к каталитическим ядам платиновых катализаторов относятся соединения серы, мышьяка, ртути.
Катализаторы имеют важное значение, поскольку обеспечивают экономию энергии и сырья и помогают решать экологические проблемы (очистка сточных вод, промышленных и автомобильных выбросов). Применение катализаторов необходимо и при создании экологически чистых малоотходных технологий.
Ключевые слова и термины
Русский
Украинский
Английский
Французский
Арабский
ингибитор
інгібітор
inhibitor, stopping agent
inhibiteur de
??????
катализ
каталіз
catalysis
catalyse
?????? ???????
катализатор
каталізатор
catalyst
catalyste
??????
каталитический яд
каталітична отрута
catalyst [contact] poison
poison catalytique
???????????
селективность
селективність
selectivity
s?lectivite
??????????
Контрольные вопросы
Что называется катализом, катализатором?
Что такое ингибитор?
Какими бывают катализаторы по агрегатному состоянию? На какие виды делится катализ?
Что называется селективностью катализатора?
Что такое каталитический яд?
Задания для самостоятельной работы
Выберите правильное утверждение о скорости химической реакции:
а) увеличивается при введении в реакционную систему ингибиторов; б) уменьшается при введении в реакционную систему катализатора; в) возрастает при снижении температуры; г) возрастает при повышении температуры.
Как называется вещество, которое участвует в протекании реакции и ускоряет ее, но само при этом не расходуется:
Выберите правильное утверждение относительно катализатора:
а) входит в состав продуктов реакции; б) не изменяет скорость реакции, но увеличивает энергию активации; в) изменяет скорость химической реакции; г) уменьшает теплоту образования продуктов реакции.
Выберите утверждение относительно ингибитора:
а) увеличивает скорость реакции; б) замедляет скорость реакции; в) не изменяет скорости реакции; г) служит реакционной средой для химических преобразований.
Какую функцию выполняет твердый MnO2, при внесении которого в жидкий пероксид водорода происходит мгновенное разложение Н2О2:
AB* 
Рисунок 7.14 – Схема каталитического гидрирование этилена на платиновом катализаторе
