Влияние катализатора на скорость реакции

В химии для ускоре­ния реакций очень широко используются вещества, называемые КАТАЛИЗА­ТОРАМИ. Эти вещества, резко ускоряя реакцию, сами в ходе нее не расходуются.

Механизм действия катализаторов очень сложен и до конца не изучен, поэтому предсказать, какой катализатор для данной реакции является наилучшим, часто невозможно. Эту проблему обычно решают чисто эмпирическим путем. Однако в настоящее время накоплен большой фактический материал, позволяющий делать некоторые обоб­щения. Катализатор, вступая во взаимодействие с исходными вещест­вами, образует новое промежуточное состояние, которое легко прев­ращается в продукты реакции. При этом сам катализатор в актехимической реакции между молекулами выступает в качестве некоторой матрицы, облегчающей взаимодействие как за счет снижения энергии активации, так и за счет стерических (пространственных) эффектов

путь реакции

НННР

Еа1

Еа2

А + В

А···В

АВ

А··· К+В

АК··· В

АВ+К

АК+В

∆Екат

А+В+К

б)

а)

Е_а

Рис.6.2. Энергетическая диаграмма реакции А + В = АВ:

а) без катализатора и б) в присутствии катализатора

Е_а – энергия активации некаталитической реакции; Е_а1 и Е_а2 – энергия активации каталитической реакции; АК – промежуточное реакционноспособное соединение катализатора с одним из реагентов; А…К, АК…В – активированные комплексы каталитической реакции; А…В - активированный комплекс некаталитической реакции; ∆Е_кат – снижение энергии активации под влиянием катализатора.

Считают, что ката­лизатор ускоряет гетерогенную реакцию благодаря тому, что за счет адсорбци­онного взаимодействия ослабляет химические связи у реагирую­щих молекул и удерживает их в положении благоприятном для образования новых связей. Причем каталитический эффект, как правило, наступает только в случае обратимой адсорбции, когда энергия адсорбционного взаимодействия не слишком велика.

При увеличении энергии адсорбции каталитический эффект снижается. Таким образом, катализатор направляет химическую реакцию по новому, более энергетически легкому, пути, изменяя ее механизм.

Присутствие в реак­ционной среде катализатора приводит к снижению энергетического барьера, т.е. облегчает как прямую, так и обратную реакции. Поэтому говорят, что катализаторы ускоряют наступление состояния химического равно­весия.

Еще одним признаком каталитической реакции может служить то, что в его присутствии тепловой эффект химической реакции не изменяется. Это видно и из диаграммы.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами. Типичным примером гомогенного ката­лиза являются биохимические реакции с участием ферментов, кото­рые, являясь катализаторами, во много раз увеличивают скорости реакций расщепления жиров и белков в организме.

При гетерогенном катализе реакции протекают на поверхности катализатора, который образует самостоятельную фазу.

Катализаторы очень часто проявляют специфичность действия, т.е. способны проявлять себя только в определенных реакциях. Благодаря этому из одних и тех же исходных веществ можно полу­чать различные продукты.

Из практики известно, что далеко не вся поверхность катали­затора является активной. Процесс активированной адсорбции может протекать только на отдельных центрах. Поэтому чем большеих ко­личество на единице поверхности катализатора, тем выше его ак­тивность. Активность катализатора тем выше, чем выше запас его свободной энергии, т.е. чем выше его термоди­намическая неустойчивость. Она, в свою очередь, определяется сте­пенью дисперсности катализатора, степенью несовершенства кристаллов, числом деффектов, наличием примесей и т.д.

В 1929 году Баландиным была предложена мультиплетная теория гетерогенного катализа, в основу которой положен принцип струк­турного и энергетического соответствия между катализатором и реагирующими веществами. Согласно этой теории в качестве актив­ных центров выступают мультиплеты - совокупности поверхностных атомов, которые отвечают принципу структурного и энергетического соответствия реа­гирующим молекулам. Структурное соответствие обеспечивает изби­рательное действие катализатора. Вторым условием активности ка­тализатора является энергетическое соответствие связей в реаги­рующих молекулах связям, которые они образуют с атомами катали­затора .

Ввиду ограниченности числа активных центров на работу ката­лизаторов сильное влияние оказывают всевозможные примеси, кото­рые могут блокировать их. Такие примеси называют КАТАЛИТИЧЕСКИМИ ЯДАМИ. Некоторые из них могут необратимо отравить катализатор, воздействие других можно исправить. Вещества, усиливающие каталитическую активность, называются ПРОМОТОРЫ. При необходимости замедлить химическую реакцию часто ис­пользуют вещества, называемые ИНГИБИТОРАМИ.

Механизм действия ин­гибиторов различен. Они могут связывать промежуточные частицы в химически неактивные соединения, могут блокировать активные центры реакционной поверхности за счет адсорбции, могут способствовать обрыву реакционных цепей в цепных реакциях и т.д. Примерами ингибиторов можно считать ве­щества, препятствующие коррозии металлов, - уротропин или тетраэтилсвинец, который добавляется в бензин и замедляет взрывную реакцию его горения.