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 Еа можно показать на следующих данных для реакции распада иодида водорода:
2 HJ = H2 + J2
Еа, 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)
SO2(г) + O2(г) → SO3
H2O(г)
CO(г) + О2(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.
|
|
V2O3(Т)
SO2(г) + O2(г) → SO3
MnO2(T)
Н2О2(ж) → Н2О + О
W(T)
N2(г) + H2(г) → NH3
Ni(T)
CH2 = CH2(г) + Н2(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.