Понятие о катализе и катализаторах. Типы Катализа.

Реакции по участию катализатора:

По механизму протекания

а) Радикальные – протекают между радикалами и молекулами.

Cl2 → Cl. + Cl. (на свету; точки означают неспаренные электроны у радикалов)
CH4 + Cl. → CH3. + HCl
CH3. + Cl2 → CH3Cl + Cl. и т. д.
б) Ионные реакции – протекают между ионами

AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3

В настоящее время каталитические процессы занимают доминирующее положение в химической технологии: более 80% продукции тяжёлой химической промышленности получают с использованием различных катализаторов. Катализ играет важнейшую роль в живой природе. Сложные комплексы химических превращений, обусловливающие брожение, дыхание, пищеварение, синтез белков осуществляется с помощью ферментов – катализаторов белковой природы, образующихся в живых телах. По некоторым свойствам ферменты существенно превосходят промышленные катализаторы. Изучение каталитических процессов является одним из важнейших направлений современной химии и знакомство с ними является существенным элементом образования современного химика-технолога.

Катализаторы – вещества, которые изменяют механизм реакции, уменьшают Е_акт => υ ↑.

▪ Катализаторы остаются неизменными по окончании реакции.

▪ Ферменты – биологические катализаторы, по природе белки.

▪ Ингибиторы – вещества, которые ↓ υ.

Под катализом в настоящее время понимается изменение скорости химической реакции при добавлении к реагентам небольших количеств веществ (катализаторов), многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой состав. Наряду с увеличением скорости реакций, небольшие добавки веществ, не изменяющие после окончания цикла свой состав, могут вызывать и уменьшение скорости процесса. В этом случае говорят об ингибировании (отрицательном катализе) химических реакций.

В подавляющем большинстве случаев катализатор не изме­няет состояния равновесия, так как снижает энергетический барьер и в обратной реакции, но ускоряет достижение равно­весного состава. Строго говоря, введение катализатора меняет изобарно-изотермический потенциал системы и может изме­нить свойства среды, например, коэффициенты активности. Обычно этим обстоятельством пренебрегают, поскольку коли­чество вводимого катализатора мало.

Константа скорости в каталитических процессах может рас­ти как за счет уменьшения энергетического барьера, так и в результате роста энтропии активации. Снижение энергии акти­вации обусловлено тем, что взаимодействие катализатора и ре­агирующей молекулы изменяет их свойства (длина и энергия связи в реакционном узле) и образование активированного ком­плекса происходит с меньшими энергетическими затратами. Изменение энтропии связано с реорганизацией реагирующей системы.

Важной особенностью каталитических процессов является сохранение катализатором своего состава в процессе реакции. Количество реагирующего вещества, которое может испытывать превращение в присутствии определенного количества катализатора не ограничивается какими-либо стехиометрическими соотношениями и может быть очень большим. Например, одна весовая часть катализатора в производстве серной кислоты вызывает превращение 10⁴весовых частей реагирующих веществ.

Катализаторы подразделяют на гомогенные и гетеро­генные. Гомогенный катализатор и реагирующие вещества обра­зуют единую фазу, чаще всего жидкую, в которой протекает катали­тическая реакция. К гомогенным катализаторам относят также фер­менты или энзимы — биокатализаторы, под действием кото­рых в живых организмах протекает синтез большинства веществ, необходимых для их жизнедеятельности. Гетерогенно-каталитические реакции протекают на границе раздела фаз, образуемых катализато­ром и реагентами. Наиболее часто в качестве гетерогенных катализато­ров используют твердые тела, при этом реагирующие вещества нахо­дятся в жидкой или газовой фазе.

СН₃СOOС₂Н₅+ Н₂O→CH₃COOH+ С₂Н₅OН

Специфичность катализа.

Специфичность каталитического дейст­вия заключается в том, что реакции данного типа ускоряются катали­заторами лишь определенного химического состава независимо от того, являются они гомогенными или гетерогенными. Так, кислотно-основ­ные реакции ускоряются кислотами или основаниями, а окислительно-восстановительные — переходными металлами или их соединениями, при этом особенно высоким каталитическим действием обладают эле­менты восьмой группы таблицы Д.И.Менделеева. Однако даже в пре­делах одной группы каталитические свойства веществ меняются немо­нотонно. Так, из всех элементов восьмой группы лишь железо облада­ет достаточно высокой активностью в реакции синтеза аммиака. Такое же заключение можно сделать относительно каталитического действия серебра при сравнении его с медью и золотом в реакции окисления этилена. Специфичность свойственна в той или иной мере всем ката­лизаторам и обусловлена специфичностью химических связей (ковалентной, донорно-акцепторной или водородной), которые возникают между катализатором и реагентом.

В образовании химической связи с реагентами участвуют лишь определенные группы атомов катализато­ра. Такую группу атомов принято называть каталитическим или активным центром. В гомогенном катализе каждая молекула катали­затора, например, ион гидроксония, может рассматриваться как актив­ный центр. В комплексных соединениях переходных металлов в качес­тве активных центров может выступать "вакантное место" в координа­ционной сфере комплексного соединения иона металла. Активные центры гетерогенных катализаторов находятся на поверхности твердо­го тела и представляют собой один или группу атомов, ионов кристал­лической решетки. Более сложное строение имеют активные центры ферментов. Специфичность каталитического действия того или иного катализатора определяется химическим составом, строением и структу­рой его активных центров.