4 Тарау. Катализ теориялары

Қазіргі кезде катализдің біртұтас және танымал теориясы жоқ. Әр уақытта түрлі елдердің зерттеушілері бір-бірін толықтыратын каталитикалық әсерге түрліше физико-химиялық негізделетін жеке теорияларын ұсынды.

Оларды екі топқа бөлуге болады:

1) катализатор қасиетіне физикалық, жеке алғанда адсорбционды негізделетін катализдегі бекітіліп, ие болатын теориялар;

2) каталитикалық әсердің мәніне химиялық тәсілмен негізделетін теориялар.

I топқаадсорбцияның келесі түрлерімен болатын адсорбционды катализ теорияларын жатқызады:

- біртекті және әртекті бетке нүктелік (бір орталықты) адсорбциялау (И.Лэнгмюр, X.С.Тейлор, С. З.Рогинский, Я.Б.Зельдович, М.И.Темкин және т.б.);

- көп орталықты адсорбциясы (А.А.Баландиннің мультиплетті теориясы, геометриялық сәйкестілік принципі) және Н.И.Кобозевтің активті ансамбльдер теориясы.

II группаға жатқызуға болады:

- аралық химиялық қосылыстың бұрынғы теориясы (Д.И.Менделеев, П.Сабатье, Н.Д.Зелинский, В.Н.Ипатьев);

- катализдің электрондық теориясы (Ф.Ф.Волькенштейн);

- А.А.Баландиннің энергетикалық сәйкестілік принципіндегі мультиплетті теория;

- Г.К.Боресковтың гетерогенді катализдегі қазіргі физико-химиялық теориясы (каталитикалық әсерді болжау теориясы).

Катализде каталитикалық әсер физикалық және химиялық жағынан да маңызды екенін айта кеткен жөн.

Сонымен, катализдің химиялық мәнінің білімінсіз катализатордың химиялық құрамын және таңду типін ғылыми түрде қисынға келтіру мүмкін емес, ал берілген катализатордағы каталитикалық реакцияның кинетикалық сипаттамасын фазааралық бөліну шекарасында жүретін физикалық және физико-химиялық процестердің заңдылықтарын түсіну мүмкін емес. Мысалы, адсорбционды (хемосорбциялық) процестер.

Катализдің қазіргі физико-химиялық ұсыныстарымен сәйкесінше катализатор және реагирлеуші затты реактанттар тек катализатор қатысымен химиялық өзгерісге сыналады деп емес, сонымен қатар катализатор да олармен өзара әсерде болатын каталитикалық реакционды бірлік жүйе деп қарастыруға болады.

Реакционды жүйедегі мұндай өзара әсерде жүрудің нәтижесінде ктализатор бетінің каталитикалық активтілігін анықтайтын стационарлы құрам қалыптасады. Осыдан көрінгендей, катализатор реакцияны жүзеге асырудың жәй ғана орны емес, химиялық әсердің тікелей қатысушысы деп қарастыру керек және оның каталитикалық активтілігі катализатордың химиялық табиғатымен және реактанттарға химиялық жақындылығымен шартталған.

Каталитикалық реакционды жүйедегі химиялық табиғат әсерінің негізгі постулаттарына сүйене отырып каталитикалық әсерді болжаудың біршама маңызды термодинамикалық және кинетикалық принциптерін сипаттауға болды:

1. Катализатор реагирлеуші заттар компонентінің ең болмаса біреуімен химиялық әсерде болуы керек (координационды, ионды немесе ковалентті байланыстың түзілуі).

2. Каталитикалық реакционды жүйеде процесс кезіндегі еркін энергияның өзгерісі катализдеуші реакцияның еркін энергиясының өзгерісінен мейлінше теріс болуы керек. Яғни катализатор мен реагирлеуші заттың қосылысы реакция өніміне қарағанда термодинамикалық тұрақты болуы шарт (егер бұл талап орындалмаса катализатор қайта қалпына келмйтін берік химиялық қосылысты түзе отырып жүйеден тез шығып кетеді.

3. Егер әр сатыда еркін энергияның өзгерісі шамамен бірдей және жалпы процестің жылулық эффект өзгерісінің жартысына тең болса, көпсатылы каталитикалық процесс термодинамикалық жағынан тиімді (шынайы) болып табылады.

4. Егер аралық химиялық әрекеттің нәтижесінде катализатор химиялық реакцияның активтену энергиясын төмендетсе (немесе біруақытта Аррениустың предэкспоненциалды көбейткішін жоғарылатса), каталитикалық реакция кинетикалық жағынан жоғары жылдамдықпен жүреді. Бұл ереже катализдегі бұзылатын байлныстың компенсациялық эффектке сәйкес келеді. Ол А.А: Баландиннің мультиплетті теориясындағы энергетикалық сәйкестілік принципіне сай.

5. Қатты заттың кристалдық құрылым типі мен каталитикалық әсердің ерекшелігінің арасында белгілі бір заңдылықтар қалыптасқан. Ионды және электронды, сонымен қатар аралық кристалл түрдің (ионды-металдық) каталитикалық активтілігін ионды және металдық кристалл құрылымына сәйкес келетін қатты зат көрсетеді. Катализ қатысында молекулалы және ковалентті кристалдар іс жүзінде инертті.

Катализдің практикалық мағынасы негізгі мақсаты – берілген реакция үшін катализаторды саналы таңдау мүмкіндігі болып табылатын теорияны қалыптастыру. Қазірге дейін ондай теория қалыптаспады, алайда түрлі бағыттағы ғылыми мектептердің теориялық тәсілдері бар.