Классификация гетерогенных катализаторов

По типу механизма каталитического действия катализаторы делятся на два вида: локального и коллективного.

Катализаторы локального механизма, в свою очередь, подразделяются на катализаторы ионного (кислотно-основного), комплексообразующего, электронного действия.

При локальном механизме взаимодействие катализатора с реагентом обусловлено индивидуальными свойствами атомов поверхности катализатора, выступающих в качестве активных центров. В этом случае гетерогенно-каталитическая реакция протекает в соответствии с законами гомогенного катализа.

Основная функция катализаторов ионного типа – это введение протона или положительного иона в реагирующую молекулу (кислотный катализ), либо удаление протона или аниона из молекулы (основной катализ). В свою очередь кис­лотно-основной катализ можно разделить на специфический (с участием ионов Н₃О⁺ и ОН^–), общекислотный либо общеосновной (с участием любой кислоты или основания), а также на электрофильный либо нуклеофильный (с участием кислот и оснований Льюиса). К катализаторам ионного типа относятся алюмосиликаты, оксиды алюминия и кремния, минеральные кислоты, галогениды трехвалентных металлов, гидроксиды, оксиды, сульфиды, карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов, синтетические ионообменные смолы (катиониты и аниониты). По механизму ионного катализа протекают процессы полимеризации, алкилирования, арилирования, каталитического крекинга, гидролиза, этерификации.

Группа катализаторов электронного катализа включает соединения со структурой металлических и ковалентных кристаллов – это металлы и полупроводники. От других катализаторов они отличаются электропроводностью. Действие металлов и их ионов объясняется облегченным электронным переходом с d -орбитали на s -орбиталь, то есть сродством к электрону электронных дырок.

К катализаторам электронного типа относятся простые и сложные оксиды и сульфиды с полупроводниковыми свойствами, например: V₂S₃, CuFeO₂, Ca₂Se₃, Ca₂As₃, а также переходные металлы и их сплавы. Чаще всего в этом классе катализаторов выступают элементы с частично незаполненными d -орбиталями в любой степени окисления, и редкоземельные элементы с недостроенными f -орбиталями.

К реакциям, протекающим по электронному механизму, относятся реакции окисления-восстановления, гидрирования-дегидрирования.

Катализаторы комплексообразующего катализа. В этом случае взаимодействие между органической молекулой и катализатором приводит к образованию двух типов комплексов:

– донорно-акцепторных, образуемых донорной связью с участием s - и π-орбиталей;

– координационных, образуемых дативными координационными связями с участием s- и p-орбиталей.

В комплексах первого типа реализуется льюисовский механизм катализа. В комплексах второго типа атом (ион) металла играет роль центрального атома (иона), лигандами которого служат атомы решетки и адсорбированные молекулы. При координации наблюдается ослабление определенного типа связи в молекуле, в результате чего молекула становится более реакционноспособной.

Катализаторы коллективного механизма подразделяются на катализаторы электронного, полупроводникового действия.

При коллективном механизме каталитическое действие определяется свойствами катализатора как твердого тела. Здесь важную роль играют энергетические состояния электронов вещества катализатора в твердом состоянии и геометрия атомов в кристаллической решетке.