Катализ

Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализаторов.
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.

Примеры: Разложение озона.
Озон образуется при поглощении молекулами кислорода ультрафиолетового света.
3О₂ → 2О_3​
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.

Примеры:
Получение SO₃ контактным способом в присутствии катализатора V₂O₅.
2SO₂ + O₂ → 2SO_3​
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;

После преобразования молекулы продукта отсоединяются от фермента, который остается неизменным.
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.

Пример:
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.

Пример
Разложение сахарозы на глюкозу и фруктозу в присутствии серной кислоты (H₂SO₄)
С₁₂Н₂₂О₁₁ → С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О_{6​​​​​​​​​​​​​}
Одни катализаторы ускоряют реакцию (положительный катализ), другие – замедляют (отрицательный катализ).
Отрицательный катализ называют ингибированием, а катализаторы, понижающие скорость химической реакции – ингибиторами.