Катализатор - это химическое вещество, добавляемое в реакцию для ускорения или замедления скорости реакции.
При этой реакции катализатор сам не претерпевает никаких изменений.
Характеристики каталитической реакции
- в конце реакции масса и химический состав катализатора остаются неизменными;
- для реакции требуется лишь небольшое количество катализатора;
- катализатор не начинает реакцию, а может только изменять скорость уже происходящей реакции;
- катализатор не изменяет положение равновесия в обратимой реакции;
- Катализатор имеет способность селективности - направлять реакцию на получение определенного продукта. При использовании разных катализаторов в реакциях между одними и теми же реагентами получаются разные продукты.
Катализаторы снижают энергию активации переходного состояния реакции, предоставляя альтернативный путь для реакции.
Энергия активации - это минимальная энергия, необходимая для протекания реакции.
Катализаторы ориентируют реагирующие частицы таким образом, что между ними происходят более успешные столкновения.
Катализаторы также образуют промежуточный комплекс, реагируя с реагентами.
Образование этого комплекса требует меньшей энергии для образования продукта, что и ускоряет реакцию.
Хотя катализатор участвует в промежуточном комплексе, в конце он снова высвобождается.
Типы каталитических реакций
Гомогенный катализ
- катализатор и реагент остаются в одной фазе;
- катализатор либо остается равномерно диспергированным в газовой фазе, либо растворяется в реагенте;
- число столкновений между реагентом и катализатором максимально;
- используются в различных промышленных приложениях. Они позволяют увеличить скорость реакции без повышения температуры.
Озон образуется при поглощении молекулами кислорода ультрафиолетового света.
3О2 → 2О3
Озон - относительно нестабильная молекула, которая разлагается с образованием 2 -атомного кислорода.
О3 → О2 + О
Оксид азота (NO) действует как катализатор в разложении озона.
НЕТ + О3 → НЕТ2 + О2
NO2 + О3 → NO + 2О2
Оксид азота реагирует и регенерируется после разложения озона.
Поскольку он не расходуется в реакции, он действует как катализатор.
Поэтому скорость разложения озона выше в присутствии оксида азота из-за каталитической активности NO.
Реакция окисления SO2 и SO3 в присутствии катализатора NO (реагирующие вещества и катализатор являются газами).
Гетерогенный (неоднородный) катализ
- реагирующие вещества и катализатор находятся в различных агрегатных состояниях и между ними существует поверхность (граница) раздела;
- катализатор остается твердым, в то время как реагенты являются газообразными или жидкими;
- катализатор не растворяется в реагирующей смеси. Вместо этого каталитическое действие происходит путем адсорбции, где катализатор действует как адсорбент, а реагент действует как адсорбат.
- техпроцесс происходит в 4 этапа:
- молекулы реагентов прикрепляются или адсорбируются на поверхности катализатора посредством химической связи,
- адсорбированные реагенты активируются,
- адсорбированные реагенты превращаются в продукты на поверхности катализатора,
- после образования продукта молекулы продукта покидают поверхность катализатора. Диффузия продукта с твердой поверхности в газовую или жидкую фазу - это десорбция.
Получение SO3 контактным способом в присутствии катализатора V2O5.
2SO2 + O2 → 2SO3
Окисление NN3 до NO в присутствии Pt (катализатор - твердое вещество).
Ферментативный катализ
Это техпроцесс, в котором скорость реакции изменяется в присутствии фермента.Фермент:
- это белковая молекула, которая действует только на определенный субстрат;
- имеет активный центр, к которому присоединяются молекулы субстрата и преобразуются в продукты;
Фундаментальный механизм ферментативного катализа следует модели индуцированного соответствия:
- фермент (E) связывается со своей специфической молекулой субстрата (S), образуя комплекс фермент-субстрат (комплекс ES);
- субстрат преобразуется в комплексе ES;
- продукты (P) диссоциируют из комплекса, оставляя фермент неизменным.
Разложение перекиси водорода (H2O2 ) на кислород (O2 ) и воду (H2O) в присутствии каталазы.
H2O2 → O2 + H2O
Кислотно-щелочной катализ
- скорость химической реакции изменяется путем добавления кислоты или основания;
- сама кислота или основание не расходуются в реакции;
- кислота и основание не требуются вместе для каждой реакции;
- реакции кислотно-специфичные известны как кислотный катализ, основно-специфичные - основной катализ.
- механизм техпроцесса - по теории Бренстеда-Лоури:
- протоны могут переходить от кислотного катализатора к реагенту или от реагента к основному катализатору,
- электроны также могут переходить от основного катализатора к реагенту или от реагента к кислотному катализатору.
Разложение сахарозы на глюкозу и фруктозу в присутствии серной кислоты (H2SO4)
С12Н22О11 → С6Н12О6 + С6Н12О6
Одни катализаторы ускоряют реакцию (положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ).
Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.