4. Поняття про каталіз

Каталізатор – це речовина, яка бере участь у проміжних стадіях, змінює швидкість реакції, але не входить до складу продуктів реакції і залишається після реакції в незмінній кількості.

Швидкість реакції істотно залежить від енергії активації, причому зменшення енергії активації (потенціального бар’єру) забезпечує зростання швидкості. Здебільшого дію каталізаторів пояснюють тим, що вони знижують енергію активації. Каталіза­тор бере участь у проміжних стадіях реакції, змінює шлях ре­акції. За наявності каталізатора виникають інші активовані ком­плекси, для утворення яких потрібна менша енергія, ніж для утворення активованих комплексів без каталізатора.

Енергія активації реакції:

2HI = H₂ + I₂

становить 184 кДж/моль. Реакція значно прискорюється за на­явності золотого або платинового каталізатора, який зменшує енергію активації відповідно до 105 кДж/моль.

Розрізняють два види каталізу – гомогенний і гетерогенний. У гомогенному каталізі каталізатор і речовини, що беруть участь у реакції, утворюють одну фазу (газ або розчин). У ге­терогенному каталізі каталізатор перебуває в системі у ви­гляді самостійної фази. Прикладом гомогенного каталізу є наве­дена вище реакція розкладу ацетальдегіду за наявності йоду (всі речовини за підвищеної температури перебувають у газоподібному стані), гетерогенного – розклад йодоводню за наяв­ності золота або платини.

Створенню активних центрів сприяють спеціальні активуючі добавки, які називають промоторами. Це речовини, які додають до каталізатора і вони збільшують його активність і стійкість. Так, невелика добавка сульфатів лужних металів значно підвищує активність V₂O₅ – каталізатора окиснення SO₂ до SO₃; добавки Al₂О₃ та К₂O – активність заліза, що є каталізатором синтезу аміаку.

Інгібітори – речовини, які сповільнюють швидкість хімічної реакції.

Активність каталізаторів значно зменшується за наявності в газовій суміші каталітичних отрут – домішок, які міцно зв’язуються з активними центрами каталізатора і перешкоджа­ють реакції. Прикладом можуть бути домішки сірководню в азотоводневій суміші, який є каталітичною отрутою в разі добуван­ня аміаку.

5. Особливості кінетики реакцій у гетерогенних системах

Гетерогенні реакції відбуваються на поверхні поділу фаз. Під швидкістю гетерогенної реакції розуміють число елементарних актів взаємодії на одиниці поверхні за одиницю часу.

Гетерогенні реакції обов’язково пов’язані з процесами пере­несення речовин. Наприклад, під час горіння вугілля:

С(тв.) + О₂(г.) = СО₂(г.)

оксид вуглецю(ІV), який утворюється внаслідок реакції, потріб­но постійно видаляти з поверхні вугілля і забезпечувати над­ходження нових порцій кисню до неї.

Отже, гетерогенна реакція включає три стадії: 1) підведення газового або розчиненого реагенту до поверхні поділу фаз; 2) хімічна реакція на поверхні; 3) відведення продукту реакції від поверхні.

Кожна з цих стадій може лімітувати швидкість усього проце­су. Крім того, швидкість другої стадії, якщо вона відбувається на поверхні твердої речовини, залежить від стану поверхні (на­явності пор, розмірів кристалів, наявності домішок тощо). Якщо продукти реакції швидко відводити від поверхні поділу, то вона весь час оновлюватиметься (як, наприклад, у реакції горіння ву­гілля), інакше між реагентами утворюватиметься шар з про­дуктів реакції. Наприклад, унаслідок взаємодії алюмінію з кис­нем на поверхні алюмінію утворюється шар нелеткого оксиду алюмінію. У міру збільшення товщини шару оксиду алюмінію підхід нових порцій кисню до металічного алюмінію утрудню­ється, внаслідок чого швидкість реакції значно зменшується.

Отже, швидкість гетерогенних реакцій залежить від більшого числа чинників, ніж гомогенних реакцій. Оскільки такі реакції пов’язані з процесами перенесення речовин, їх швидкість часто залежить від швидкості перемішування. В найпростіших випад­ках швидкість реакції пропорційна концентрації газоподібного або розчиненого реагенту, тобто справджується закон дії мас.

Залежність швидкості гетерогенної реакції від температури загалом також складна, але найчастіше з підвищенням темпера­тури швидкість реакцій зростає

Отже, швидкість гетерогенних реакцій залежить від багатьох чинників, і в кожному конкретному випадку слід ураховувати внесок кожного з них.