Гомогенный катализ

Основные понятия катализа

Катализ – явление ускорения реакций в присутствии катализаторов.

Катализаторами называют вещества, которые присутствуют в реакционной смеси и изменяют скорость реакции, но сами не претерпевают никаких изменений в результате ее протекания. Если катализатор увеличивает скорость реакции, то его называют положительным, а если замедляет – отрицательным катализатором или ингибитором.

Катализаторы имеют ряд особенностей. Они не оказывают влияния на изменение энергии Гиббса и константу равновесия химической реакции, но могут сильно влиять на константу скорости реакции. Действие каждого катализатора специфично, т.е. определенные катализаторы оказывают влияние лишь на некоторые реакции. Например, серебро ускоряет реакции окисления. Для ускорения реакции достаточно очень малого количества катализатора. Смесь катализаторов часто действует значительно сильнее по сравнению с действием отдельных катализаторов. При формальном подходе к каталитическим явлениям можно сказать, что механизм действия положительного катализатора заключается в снижении энергии активации реакции, а ингибитора – в увеличении.

Различают гомогенный, гетерогенный и ферментативный катализ. При гомогенном катализе катализатор и реакционная смесь составляют одну фазу, а при гетерогенном – разные фазы. При ферментативном катализе катализаторами служат вещества белковой природы (ферменты).

До настоящего времени не создано общей теории каталитических явлений, однако разработаны отдельные теории, описывающие определенные химические превращения.

Основной теорией гомогенного катализа является теория промежуточного соединения, согласно которой катализатор способен образовывать с реагирующими веществами нестойкие промежуточные соединения, которые затем распадаются с образованием продуктов реакции и выделением катализатора в неизменном виде. Лимитирующей стадией каталитической реакции является стадия распада промежуточного соединения.

Рассмотрим в качестве примера реакцию

. (226)

Эта реакция протекает очень медленно с выделением теплоты (). Увеличить скорость реакции можно двумя путями: 1. повысить температуру;

2. ввести катализатор.

Если повысить температуру, константа скорости увеличится, но так как реакция экзотермическая, то согласно уравнению изобары (123)

с повышением температуры снизится константа равновесия химической реакции и уменьшится выход продукта реакции. Поэтому для ускорения процесса в реакционную смесь добавляют катализатор (), который в равной степени влияет на скорость прямой и обратной реакции, но не оказывают влияния на изменение энергии Гиббса и . В этом случае реакция протекает в две стадии:

;

.

Суммируя указанные реакции, получим реакцию (126). Катализатор выделяется в неизменном виде.

Энергия активации каждой из стадий (рис. 39а) меньше энергии активации основной реакции (рис. 39б), за счет чего и повышается скорость реакции.

Таким образом, катализатор целесообразно применять для ускорения экзотермических реакций.

Гомогенно-каталитические процессы широко распространены в современных технологиях. К числу таких процессов относят:

1. кислотный катализ, в котором катализатором является кислота;

2. основный катализ (катализатор – основание).