Общее представление о катализе

Каталитические реакции подчиняются общим законам химии и термодинамики, но имеют при этом свои особенности, так как в них всегда участвует один дополнительный компонент – катализатор. Действие катализаторов принципиально отличается от действия других факторов, способствующих интенсификации химических реакций, например, температуры, давления, радиационного воздействия и др. Повышение температуры может ускорять реакцию вследствие увеличения энергетического уровня реагирующих молекул, т.е. их активации за счет вводимого извне тепла. При этом изменяется внутренняя энергия системы и смещается положение равновесия.

Катализаторы – это вещества, которые многократно вступая в промежуточное взаимодействие с участниками реакции, изменяют её механизм и увеличивают скорость реакции. Они восстанавливают свой химический состав после каждого цикла промежуточных взаимодействии.

Для равновесных химических реакций катализатор (kat) не смещает положения равновесия, он лишь уменьшает время его достижения τ, равно ускоряя как прямую так и обратную реакцию.

Катализатор ускоряет хим. реакцию за счет изменения механизма реакции. Существует несколько теорий, объясняющих механизм действия катализаторов, из которых наиболее распространенной теорией, служащей основой современных представлений о катализе, является теория промежуточных соединений. Согласно этой теории, медленную реакцию между исходными веществами можно заменить двумя или несколькими более быстрыми реакциями с участием катализатора, который образует с исходными веществами промежуточные непрочные соединения. Ускоряющее действие катализатора состоит в понижении энергии активации реакций образующихся промежуточных соединений, что оказывает очень сильное влияние на скорость реакции, поскольку в уравнение Аррениуса

энергия активации Е входит в показатель степени.

Пусть протекает одностадийная реакция с энергией активации E_o

A +B R

E _o 1 2

E₂

E₁

Ι E₃ ΙΙ

ход реакции

Энергетические диаграммы каталитической и не каталитической реакций:

Ι – энергетический уровень исходных реагентов

ΙΙ – энергетический уровень продуктов реакций

1 – путь каталитической реакции

2 – путь реакции без катализаторов

Ход реакции на энергетической диаграмме изображен кривой 2. В присутствии катализатора механизм реакции изменяется, она протекает через несколько последовательных стадий (кривая 1).

Первой стадией может быть образование промежуточного активированного комплекса Akat:

A+kat= Akat (1 стадия)

катализатор

Затем активированный комплекс реагирует со вторым реагентом В с образованием комплекса катализатора и продукта R:

Akat+B=Rkat (2 стадия)

Последней стадией является разложение комплекса Rkat c образование продукта R и высвобождением катализатора для нового каталитического цикла:

Rkat=R+kat (3 стадия)

К аждая из этих последовательных стадий характеризуется своими значениями энергии активации E₁,E_2,E₃ (кр.1), но, как правило, высота каждого из этих потенциальных барьеров ниже энергии активации E_o. Т.о. в присутствии kat реакция протекает по энергетически более выгодному пути, что позволяет проводить процесс с большей скоростью. Исходное (Ι) и конечное (ΙΙ) энергетические состояния реакционной системы в присутствии катализатора и без него остаются одинаковыми. кат-р не м/т изменить состояние химического равновесия, которое не зависит от пути реакции. Роль катализатора состоит в изменении скорости достижения состояния равновесия. Некоторые химические реакции без катализаторов практически неосуществимы, например, из за слишком большой энергии активации. Для преодоления высокого энергетического барьера можно повысить кинетическую энергию молекул, т.е. увеличить температуру. Но для многих обратимых экзотермических реакций (∆Н<0) повышение температуры приводит к смещению равновесия в обратную сторону и делает реакцию ТД неразрешенной. В таких случаях применение катализатора необходимо. Катализатор снижает Е_акт реакции и позволяет тем самым проводить ее при существенно более низких температурах. Чрезвычайно важна роль катализаторов в осуществлении сложных реакций, т.к. катализаторы обладают способностью избирательно влиять на скорость только какой-то одной нужной реакции (крекинг нефтепродуктов – получение высококачественных бензинов)