Введение.
КАТАЛИЗ- процесс, заключающийся в изменении скорости химических реакций в присутствиивеществ, называемых катализаторами.
Катализаторы- вещества, изменяющие скорость химической реакции, которые могут участвовать вреакции, входить в состав промежуточных продуктов, но не входят в составконечных продуктов реакции и после окончания реакции остаются неизменными.
Каталитическиереакции - реакции, протекающие в присутствии катализаторов.
Положительнымназывают катализ, при котором скоость реакции возрастает, отрицательным(ингибированием) - при котором она убывает. Примером положительного катализаможет служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотнойкислоты. Примером отрицательного - снижение скорости коррозии при введении вжидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихроматакалия.
Катализаторы,замедляющие химическую реакцию, называются ингибиторами.
Взависимости от того, находится катализатор в той же фазе, что и реагирующиевещества, или образует самостоятельную фазу, говорят о гомогенном илигетерогенном катализе.
Примеромгомогенного катализа является разложение пероксида водорода в присутствии ионовйода. Реакция протекает в две стадии:
НО + I = H O + IO
НO + IO = Н O + O + I
Пригомогенном катализе действие катализатора связано с тем, что он вступает вовзаимодействие с реагирующими веществами с образованием промежуточныхсоединений, это приводит к снижению энергии активации.
Пригетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхноститвердого тела - катализатора, поэтому активность катализатора зависит отвеличины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят натвердый пористый носитель. Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем угомогенного.
Механизмгетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.
1.Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества.
2.Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого веществареагирующих молекул и затем хемосорбция их.
3.Химическая реакция между реагирующими молекулами.
4.Десорбция продуктов с поверхности катализатора.
5.Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток.
Примеромгетерогенного катализа является окисление SO в SO на катализаторе V O припроизводстве серной кислоты (контактный метод).
Промоторы(или активаторы) - вещества, повышающие активность катализатора. При этомпромоторы могут сами и не обладать каталитическими свойствами.
Каталитическиеяды - посторонние примеси в реакционной смеси, приводящие к частичной илиполной потере активности катализатора. Так, следы мышьяка, фосфора вызываютбыструю потерю катализатором V O активности (контактный метод производства H SO).
Многиеважнейшие химические производства, такие, как получение серной кислоты,аммиака, азотной кислоты, синтетического каучука, ряда полимеров и др.,проводятся в присутствии катализаторов.
Биохимическиереакции в растительных и животных организмах ускоряются биохимическимикатализаторами - ферментами.
Скоростьпроцесса - чрезвычайно важный фактор, определяющий производительностьоборудования химических производств. Поэтому одна из основных задач,поставленных перед химией научно-технической революцией, это поиск путейувеличения скорости реакций. Другая важ- ная задача современной химии,обусловленная резко возрастающими масштабами производства химическихпродуктов,- повышение избирательности химических превращений в полезныепродукты, уменьшение количества выбросов и отходов. С этим связана, кроме того,и охрана окружающей среды и более рациональное использование истощающихся, ксожалению, природных ресурсов.
Длядостижения всех этих целей нужны верные средства, и такими средствами служатпрежде всего катализаторы. Однако изыскивать их не так просто. B процессепознания внутреннего устройства окружающих нас вещей ученые установилиопределенную градацию, иерархию уровней микромира. Мир, описываемый в нашейкниге,- это мир молекул, взаимные превращения которых составляют предмет химии.Нас будет интересовать не вся химия, а только часть ее, посвященная изучениюдинамики изменения химической структуры молекул. Видимо нет надобности говоритьо том, что молекулы построены из атомов, а последние- из ядра и окружающей егоэлектронной оболочки; что свойства молекул зависят от природы составляющих ихатомов и последовательности соединения их друг с другому что химические ифизические свойства веществ зависят от свойств молекул и характера ихвзаимосвязи. Будем считать, что все это в общих чертах известно читателю, ипотому главный упор сделаем на вопросах, связанных с представлением о скоростихимических реакций.
Взаимныепревращения молекул протекают с самой различной скоростью. Скорость можноизменять, нагревая или охлаждая смесь реагирующих молекул. При нагреваниискорость реакции, как правило, возрастает, но это не единственное средствоускорения химических превращений. Существует еще один, более эффективный способ- каталитический, широко используемый в наше время в производстве самыхразнообразных продуктов.
Первыенаучные представления о катализе возникли одновременно с развитием атомнойтеории строения вещества. В 1806 г., через год после того, как один изсоздателей современной атомистической теории Дальтон сформулировал в “ЗапискахМанчестерского литературного и философского общества” закон кратных отношений,Клеман и Дезорм опубликовали подробные данные об ускорении процесса окислениясернистого газа в присутствии окислов азота при камерном производстве серной кислоты.Шесть лет спустя в “Технологическом журнале” Кирхгоф изложил результаты своихнаблюдений об ускоряющем действии разбавленных минеральных кислот на гидролизкрахмала до глюкозы. Этими двумя наблюдениями была открыта эпохаэкспериментального изуче- ния необычных для того времени химических явлений,которым шведский химик Берцелиус дал в 1835 г. общее название “катализ” отгреческого слова “каталоо” - разрушать. Такова, в двух словах, история открытияка- тализа, который с полным основанием следует отнести к одному изфундаментальных явлений природы.
Теперьнам следует дать современное и наиболее общепринятое определение катализа, азатем и некоторую общую классификацию каталитических процессов, так как именнос этого начинается любая точная наука. Как известно, “физика - это то, чемзанимаются физики (то же самое можно сказать и о химии)”. Следуя этомунаставлению Бергмана, можно было бы ограничиться утверждением, что “катализ -это то, чем занимаются и химики и физики”. Но, естественно, такого шутливогообъяснения недостаточно, и со времен Берцелиуса давалось множество научныхопределений понятию “катализ”. На наш взгляд наилучшее определениесформулировано Г. К. Вересковым: “Феноменологически катализ можно определитькак возбуждение химических реакций или изменение их скорости под действиемвеществ - катализаторов, многократно вступающих в промежуточные химическиевзаимодействия с участниками реакции и восстанавливающих после каждого циклапромежуточных взаимодействий свой химический состав”.
Самоестранное в этом определении его заключительная часть - вещество, ускоряющеехимический процесс, не расходуется. Если нужно ускорить движение тяжелого тела,его подталкивают и, следовательно, затрачивают на это энергию. Чем большепотрачено энергии, тем большую скорость приобретает тело. В идеальном случаеколичество затраченной энергии будет точно равно приобретенной теломкинетической энергии. В этом проявляется фундаментальный закон природы -сохранение энергии.
Видные деятели химии о катализе
И.Берцелиус (1837):
“Известныевещества оказывают при соприкосновении с другими веществами такое влияние напоследние, что возникает химическое действие,- одни вещества разрушаются,другие образуются вновь без того, чтобы тело, присутствие которого вызывает этипревращения, принимало в них какое-либо участие. Мы называем причину,вызывающую эти явления, каталитической силой”.
М.Фарадей (1840).
“Каталитическиеявления можно объяснить известными свойствами материи, не снабжая ее при этомникакой новой силой”.
П.Рашиг (1906):
“Катализпредставляет вызываемое внешними причинами изменение строения молекулы, имеющееследствием изменение химических свойств”.
Э.Абель (1913):
“Япришел к выводу, что катализ осуществляется в результате реакции, а не простогоприсутствия вещества”.
Л.Гурвич (1916):
“Каталитическидействующие тела, притягивая к себе движущиеся молекулы гораздо сильнее, чемтела, лишенные каталитического действия, тем самым увеличивают силу удара,попадающих на их поверхность молекул”.
Г.К. Боресков (1968):
“Когда-токатализ рассматривался как особое, немного таинственное явление, соспецифическими законами, раскрытие которых должно было сразу в общей формерешить задачу подбора. Сейчас мы знаем, что это не так. Катализ по своейсущности - химическое явление. Изменение скорости реакции при каталитическомвоздействии обусловлено промежуточным химическим взаимодействием реагирующихвеществ с катализатором”.
Еслине принимать во внимание неудачную попытку Берцелиуса связать наблюдаемыеявления с действием скрытой “каталитической силы”, то, как можно заметить изприведенных выступлений, дискуссия шла в основном вокруг физических ихимических аспектов катализа. Длительное время особенно популярной былаэнергетическая теория катализа, связывающая процесс возбуждения молекул срезонансной миграцией энергии.
Катализаторвступает во взаимодействие с реагирующими молекулами, образуя неустойчивыепромежуточные соединения, которые распадаются с выделением продукта реакции ихимически неизменного катализатора. Современные наши знания лучше всегоотражены в высказывании Борескова.