Классификация каталитических процессов

Классификацию каталитических процессов можно проводить по разным признакам.

По фазовому составу компонентов различают гомогенные (если исходные вещества, продукты реакции и катализатор находятся в одной фазе) и гетерогенные (если реакционная смесь и катализатор находятся в разных фазах) каталитические реакции.

Многие реакции, протекающие в растворах, являются гомогенными каталитическими реакциями. Гомогенно-каталитические реакции в газовой фазе «в чистом виде» встречаются редко и большинство их связано с протеканием цепных реакций.

К гетерогенным каталитическим реакциям относятся процессы, протекающие на поверхности раздела фаз: газ – твёрдое тело, жидкость – твёрдое тело, жидкость – газ. В качестве катализаторов, как правило, выступают твёрдые тела: металлы, оксиды, соли и др.

Ферментативный катализ – реакции, катализируемые биокатализаторами, т.е. ферментами, которые синтезируются живыми организмами и отличаются высокой специфичностью. Этот вид катализатора можно отнести к группе гомогенных каталитических реакций. Иногда их относят к микрогетерогенному катализу, когда катализатор находится в коллоидном состоянии.

Недостаток такой классификации заключается в том, что в ней не учитывается основная причина каталитического действия: особенности взаимодействия катадизатора с реагирующими веществами, приводящее к изменению механизма реакции в присутствии катализатора.

По механизму взаимодействия катализатор – реагент различают:

гомолитический механизм катализа – каталитический процесс сопровождается разрывом некоторых электронных пар и образованием новых электронных пар и гетеролитический механизм катализа – каталитический процесс, в котором образование и разрыв двухэлектронной связи протекает без разрушения электронных пар.

При таком подходе более очевидно, что природа промежуточного взаимодействия указывает на свойства, которыми должен обладать катализатор.

По гомолитическому механизму осуществляются реакции синтеза аммиака, спиртов из CO и H₂; гидрирования кратных связей бензола, фенола, анилина; реакции окисления SO₂ в SO₃, NH₃ в NO, метанола в формальдегид и т.д. Катализаторами таких реакций являются вещества, способные отдавать неспаренные электроны для образования новых электронных пар. К ним относятся, прежде всего, элементы с незамещенными d - и f - оболочками в виде металлов или их соединений.

По гетеролитическому механизму протекают реакции крекинга углеводородов, дегидратации спиртов, гидратации олефинов и т.п.

Конечно, и эта классификация в связи с недостатком надежных данных о глубоком механизме каталитического действия не является строгой. Однако хотя бы в общей форме она отражает особенности химической природы катализатора.

Особое место в классификации занимает автокатализ – это реакции, в которых катализатор образуется в ходе их протекания. Скорость таких реакций сначала незначительна, затем увеличивается до максимального значения, после чего постепенно уменьшается, как уменьшается концентрация реагирующих веществ. Так, например, протекает реакция омыления уксусно-этилового эфира (гидролиз эфира) в нейтральной среде:

CH₃COOC₂H₅ + H₂O ® CH₃COOH + C₂H₅OH.

Катализатором этой реакции являются ионы H⁺, которые образуются в результате самой реакции.