Зміну швидкості хімічної реакції у присутності додаткових речовин — каталізаторів, називають каталізом.
Каталізатори— це речовини, які змінюють швидкість хімічної реакції, але самі внаслідок реакції залишаються незмінними Каталізатори частіше за все прискорюють реакцію. У цьому випадку каталіз називають позитивним. Каталізатори, які уповільнюють хід хімічного процесу, називають інгібіторами (каталіз негативний).
Каталіз може бути гомогенним та гетерогенним. У першому випадку реагуючі речовини та каталізатор знаходяться в одній фазі (газ, розчин), у другому — в різних (тверда речовина у розчині або газі).
Для каталізаторів характерна специфічність дії: кожний каталізатор здатний впливати не на будь-яку реакцію, а лише на певну, або на групу реакцій, схожих за механізмом.
Механізм гомогенного каталізу пояснюють теорією проміжних сполук. Згідно з цією теорією каталізатор взаємодіє з однією із вихідних речовин, утворюючи нестійку хімічну сполуку, яка енергійно взаємодіє з іншою вихідною речовиною реакційної суміші, а каталізатор відновлюється до початкового стану.
Так, хімічний процес, який можна схематично зобразити рівнянням:
А + В = С (а),
перебігає повільно (а). Під впливом каталізатора К він поділяється на дві стадії: А + К = АК перебігає швидко (б), АК + В = АВ + К перебігає швидко (в). АК — проміжна сполука. Швидкість реакції стадій (б) і (в) у багато разів більша за швидкість процесу (а), оскільки кожна з цих стадій характеризується меншою енергією активації, ніж для процесу (а). Енергетична діаграма перебігу реакції при відсутності (крива 1) та наявності каталізатора (крива 2) наведена на рисунку 31.
Величина ∆Екат вказує на зниження енергії активації хімічної реакції під впливом каталізатора.
Прикладом гомогенного каталізу є гомогенна реакція окиснення SO2 до SO3 киснем у присутності каталізатора — оксиду азоту(ІІ). Процеси гомогенного каталізу особливо важливі у біохімічних процесах, отже життєдіяльність будь-яких організмів залежить від швидкості переробки продуктів харчування в речовини, які необхідні для розвитку та функціонування організмів. Біологічні каталізатори називають ферментами. Ферменти є речовинами білкового походження. Деякі з них складаються з одного компонента (пепсин, трипсин). Більшість ферментів мають складну будову. Ферменти — це іоноорганічні сполуки. Активними каталітичними центрами в них є іони d-елементів (Fe2+, Cu2+, Zn2+, V3+) або полярні групи (NH2-, HS-, OH- тощо).
Основними особливостями ферментів є винятково висока каталітична активність та хімічна специфічність. Наприклад, окиснювально-відновні реакції в організмі людини та тварин за участю ферментів, які містять іони заліза(ІІ), перебігають у десятки тисяч разів швидше, ніж шляхом неорганічного каталізу. В останньому випадку для цього знадобилося б 10 тонн заліза, у той час як загальний його вміст в організмі людини складає 3—4 грами. Кожний фермент прискорює перебіг одного процесу: пепсин (міститься у шлунку) каталізує розщеплення білків на амінокислоти; амілаза (міститься у слині) — перетворення крохмалю на цукор; уреаза — спричиняє каталітичне розщеплення сечовини на СО2 та NH3.
У разі гетерогенного каталізу реакційна суміш і каталізатор утворюють дві фази. Як правило, каталізатор — тверда речовина, а реагуючі речовини — гази або рідини. Гетерогенні каталітичні реакції відбуваються на поверхні каталізатора. При цьому дуже велике значення має поверхня зіткнення реакційної суміші з каталізатором. Тому тверді каталізатори звичайно використовують у подрібненому стані, щоб площа зіткнення між ними і реагуючими речовинами була найбільшою. У неорганічному гетерогенному каталізі каталізаторами є губчата або подрібнена платина, солі міді, нікелю, ртуті, оксиди ванадію(У), алюмінію, заліза(ІІІ).
Теорія гетерогенного каталізу заснована на явищі адсорбції. Згідно з цією теорією поверхня каталізатора неоднорідна. Вона має активні центри, на яких адсорбуються реагуючі речовини. Результатом цього є збільшення їх концентрації на даній ділянці поверхні каталізатора, що призводить до збільшення швидкості реакції. Але цим не обмежується дія каталізаторів. Силові поля активних центрів послаблюють зв'язки між атомами адсорбованих молекул. Таким чином, полегшується реакція з іншою реагуючою частинкою. Наприклад, молекули водню, які адсорбовані на платині, дисоціюють на окремі атоми, що мають неспарений електрон і визначаються високою хімічною активністю.
Прискорююча дія каталізатора в гетерогенному каталізі, як і в гомогенному, пов'язана з тим, що реагуючі речовини утворюють проміжні сполуки, що зумовлює зниження енергії активації.
Гетерогенний каталіз широко застосовується у хімічній промисловості в таких процесах, як синтез аміаку, виробництво сірчаної та азотної кислот, одержання етилену, формальдегіду, синтетичного каучуку в реакціях крекінгу, гідрогенізації.
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 93 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |