ПОСІБНИК З ХІМІЇ ДЛЯ ВСТУПНИКІВ ДО ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ
Частина І. ЗАГАЛЬНА ХІМІЯ
Розділ 4. ШВИДКІСТЬ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ.
§ 4.4. Поняття про каталіз і каталізатори
Підвищувати швидкість реакцій можна за допомогою каталізаторів. Застосовувати каталізатори доцільніше, ніж підвищувати температуру, тим більше, що це не завжди можливо.
Каталізаторами називаються речовини, що змінюють швидкість хімічних реакцій.
Одні каталізатори значно прискорюють реакцію – позитивний каталіз, або просто каталіз, інші – сповільнюють
Хімічні реакції, що відбуваються за участю каталізаторів, називаються каталітичними.
Каталітичний вплив можна чинити на більшість хімічних реакцій. Кількість каталізаторів дуже велика, а їх каталітична активність досить різна. Вона визначається зміною швидкості реакції, спричиненою каталізатором.
Сам каталізатор у реакціях не витрачається і до складу кінцевих продуктів реакції не входить.
Розрізняють два види каталізу – гомогенний (однорідний) і гетерогенний (неоднорідний) каталіз.
При гомогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють однофазну систему – газувату або рідку, між каталізатором і речовинами, що реагують, немає поверхні поділу. Наприклад, каталітичний розклад пероксиду гідрогену за наявності розчину солей (рідка фаза). Для гомогенного каталізу встановлено, що швидкість хімічної реакції пропорційна концентрації каталізатора.
При гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють систему з різних фаз. У цьому разі між каталізатором і реагуючими речовинами існує поверхня поділу. Звичайно каталізатор – тверда речовина, а реагуючі речовини – гази або рідини. Прикладами можуть бути окиснення аміаку (газувата фаза) за наявності платини (тверда фаза) або розклад пероксиду гідрогену (рідка фаза) за наявності вугілля або оксиду мангану(ІV) (тверда фаза). Всі реакції при гетерогенному каталізі відбуваються на поверхні каталіза тора. Тому активність твердого каталізатора залежить і від властивостей його поверхні (розміру, хімічного складу, будови і стану).
Дія позитивних каталізаторів зводиться до зменшення енергії активації реакції, іншими словами, – до зменшення висоти енергетичного бар’єра (див. рис. 4.2., штрихова лінія). При цьому утворюється активований комплекс з нижчим рівнем енергії, й швидкість реакції сильно зростає.
Механізм дії каталізаторів звичайно пояснюють утворенням проміжних сполук з однією з реагуючих речовин. Так, якщо реакцію А+В=АВ, що відбувається повільно, проводити за наявності каталізатора К, то каталізатор вступатиме в хімічну взаємодію з однією з вихідних речовин з утворенням неміцної проміжної сполуки:
А + К = АК.
Реакція відбувається швидко, оскільки енергія активації цього процесу мала. Потім проміжна сполука АК взаємодіє з іншою вихідною речовиною, при цьому каталізатор вивільнюється:
АК + В = АВ + К.
Енергія активації цього процесу також мала, тому реакція відбувається з достатньою швидкістю. Якщо тепер обидва процеси, що плинуть одночасно, додати, то дістанемо остаточне рівняння реакції, що швидко відбувається:
А + В = АВ.
Наведемо конкретний приклад – окиснення SO2 до SO3 за участю каталізатора NO:
SO2+ ½ O2 = SO3;
А + В = АВ.
Ця реакція перебігає повільно. Проте при додаванні каталізатора утворюється проміжна сполука:
NO + ½O2 = NO2;
К + В = КВ
І далі
SO2+ NO2 = SO3 + NO;
А + КВ = АВ + К.
Поверхня каталізатора неоднорідна. На ній є так звані активні центри, на яких в основному і відбуваються каталітичні реакції. Реагуючі речовини адсорбуються на цих центрах, внаслідок чого збільшується концентрація їх на поверхні каталізатора. А це частково зумовлює прискорення реакції. Однак головною причиною зростання швидкості реакції є значне підвищення хімічної активності адсорбованих молекул. Під дією каталізатора послаблюються зв’язки між атомами в адсорбованих молекулах, і вони стають більш реакційноздатними. І в цьому разі реакція прискорюється внаслідок зниження енергії активації (в тому числі і через утворення поверхневих проміжних сполук).
Деякі речовини знижують або й повністю знищують активність твердого каталізатора. Такі речовини називаються каталітичними отрутами. Як приклад можна навести сполуки арсену, меркурію, плюмбуму, ціанисті сполуки, до яких особливо чутливі платинові каталізатори. У виробничих умовах реагуючі речовини очищають від каталітичних отрут, а вже отруєні каталізатори регенерують.
Однак існують і такі речовини, що підсилюють дію каталізаторів даної реакції, хоча самі не є каталізаторами. Ці речовини називаються промоторами (промотування платинових каталізаторів домішками заліза, алюмінію тощо). Слід особливо відзначити, що дія каталізаторів вибірна, тому, застосовуючи різні каталізатори, можна з однієї і тієї самої речовини добути різні продукти. Наприклад, за наявності каталізатора оксиду алюмінію Аl2О3 при 300С˚ з етилового спирту добувають воду й етилен:
С2Н5ОН −> Н2O + С2Н4.
За цієї самої температури, але за наявності дуже подрібненої міді з етилового спирту утворюються водень і оцтовии альдегід:
Досвід показує, що для кожної реакції існує оптимальний каталізатор. Каталізатори у хімічному виробництві відіграють виняткову роль. Добування сульфатної кислоти, синтез аміаку, добування з твердого вугілля рідкого палива, переробка нафти й природного газу, добування штучного каучуку, пластмас, гідрогенізація жирів – ось далеко не повний перелік найважливіших виробництв, де застосовуються каталізатори.
Очевидно, пошуки нових, досконаліших каталізаторів сприятимуть підвищенню продуктивності праці й зниженню собівартості продукції.
Особливу роль відіграють біологічні каталізатори – ферменти. За їх участю відбуваються складні хімічні процеси в рослинних і тваринних організмах.
(1 votes, average: 5,00 out of 5)