Влияние катализатора на скорость реакции

Одним из наиболее распространенных в химической практике методов ускорения химических реакций является катализ.

Катализатор – это вещество, изменяющее скорость химической реакции, но само в реакции не расходуется и в конечные продукты не входит.

При этом изменение скорости реакции происходит за счет изменения энергии активации, причем катализатор с реагентами образует активированный комплекс.

Катализатор после разрушения активированного комплекса не входит в состав продуктов реакции, поэтому общее уравнение процесса остается прежним.

Если гомогенная реакция В + А  АВ протекает с малой скоростью, то можно подобрать вещество К, которое с одним из реагентов образует активированный комплекс, взаимодействующий в свою очередь с другим реагентом:

1/2О₂ + NO = NO₂ NO₂ + SO₂ = SO₃ + NO

А + К  [ А….К ] [ А….К ] + В  АВ + К

Если энергия активации этих стадий ниже энергии активации процесса в отсутствии катализатора, то общая скорость процесса значительно возрастает и такой катализ называется положительным, в противном случае скорость процесса уменьшится и катализ будет отрицательным, иначе называемый ингибированием. Отрицательные катализаторы – ингибиторы, которые отличаются от катализаторов тем, что входят в состав продуктов реакции.

Влияние катализатора на снижение энергии активации процесса Е_а можно показать на следующих данных для реакции распада иодида водорода:

2 HJ = H₂ + J₂

Е_{а ,} кДж/моль

без катализатора 168

катализатор Au 105

катализатор Pt 59

Так как в выражении для константы скорости реакции энергия активации входит в отрицательный показатель степени, то даже небольшое изменение энергии активации вызывает очень большое увеличение скорости реакции. Так, для данной реакции уменьшение Еа на 40 кДж соответствует повышению скорости реакции при 500К в 30 000 раз.

Катализаторы обладают избирательностью (селективностью). Подбирая катализатор, получают необходимый продукт.

Различают два вида катализа – гомогенный (однородный) и гетерогенный (неоднородный). При гомогенном катализе реагенты и катализатор образуют однородную систему – газовую или жидкую и между реагентами и катализатором отсутствует поверхность раздела.

Примерами гомогенного катализа могут служить реакции между газами в присутствии газообразных катализаторов (NO₂, H₂O и др.) и между растворенными веществами в присутствии растворенного катализатора или растворителя.

NO_(г)

SO_2(г) + O_2(г) → SO₃

H₂O_(г)

CO_(г) + О_2(г) → CO₂

Если катализатор и реагенты находятся в разных фазах и процесс протекает на поверхности их раздела, то это гетерогенный катализ. Распространенными кристаллическими катализаторами являются металлы и их оксиды.

V₂O_3(Т)

SO_2(г) + O_2(г) → SO₃

MnO_2(T)

Н₂О_2(ж) → Н₂О + О

W_(T)

N_2(г) + H_2(г) → NH₃

Ni_(T)

CH₂ = CH_2(г) + Н_2(г) → C₂H₆

Как в гомогенном, так и в гетерогенном катализе действие положительных катализаторов сводится к уменьшению энергии активации реакции, к снижению высоты энергетического барьера. В присутствии катализатора образуется активированный комплекс с более низким уровнем энергии, чем без катализатора, и поэтому скорость реакции очень возрастает. Реакции с участием катализатора протекают при более низкой температуре, чем без него.