Катализ

Наличие катализатора влияет на скорость химической реакции. Катализатор – это вещество, которое может увеличить скорость реакции без потребления во время процесса. Базовое понимание роли катализаторов во время химических реакций можно понять из концепции механизмов реакции и энергетических схем.

На иллюстрации представлены диаграммы реакции для эндотермического химического процесса, прогрессирующего в отсутствие (красная кривая) и присутствии (синяя кривая) катализатора.

Обе кривые представляют собой одну и ту же общую реакцию – они начинаются и заканчиваются при одних и тех же энергиях. (В этом случае, продукция имеет больше энергии, чем реагенты. Таким образом, реакция является эндотермической). Однако их механизмы реагирования отличаются. Некатализированная реакция протекает через одношаговый механизм (с одним наблюдаемым переходным состоянием). В отличие от этого, катализированная реакция следует двухэтапному механизму (наблюдается два переходных состояния) с заметно меньшей энергией активации. Эта разница в путях реакции иллюстрирует роль катализатора в предоставлении альтернативного механизма реакции с меньшей энергией активации, тем самым ускоряя реакции.

Механизм катализированной реакции не должен включать в себя большее число элементарных шагов, чем некатализированный механизм. Тем не менее, он должен обеспечить альтернативный путь реакции, шаг определения скорости которого быстрее (с меньшим EA или энергией активации).

Каталитическую реакцию можно классифицировать как однородную или разнородную, исходя из физических состояний, в которых катализаторы и реагенты существуют во время каталитического процесса.

Однородный катализ

При однородном катализе катализатор присутствует в той же фазе, что и реагенты – твердый, жидкий или газовый. Во время процесса катализатор взаимодействует с реагент, образуя промежуточное вещество, которое затем разлагается или реагирует с другим реагент в одном или нескольких шагах для регенерации исходного катализатора и формирования конечного продукта.

Примером гомогенного катализа является химический процесс, связанный с разложением озона, происходящего в верхней атмосфере Земли. Озон представляет собой относительно нестабильную молекулу, которая разлагается для получения диатомного кислорода. Эта реакция разложения соответствует следующему двухэтапному механизму:

Многие вещества могут катализировать разложение озона. Например, считается, что окислно-катализованный распад озона происходит через следующий трехступенчатый механизм:

Однако общая реакция одинакова как для двухступенчатого некатализированного механизма, так и для трехступенчатого НЕКАТАЛИЗИРОВАННОГО механизма:

В катализированной реакции обратите внимание на то, что НА первом этапе работы механизма нет реагент и продукт на последнем этапе. Это еще одна характерная черту катализатора: Хотя он участвует в химической реакции, он не потребляется реакцией. Кроме того, при однородном катализе реагент и катализатор находятся в газообразной фазе.

Гетерогенный катализ

В гетерогенном катализе катализатор присутствует на другой фазе (обычно твердой), чем реагенты. Такие катализаторы, как правило, функционируют путем создания активной поверхности, на которой может возникнуть реакция. Газовые и жидкие фазовые реакции, катализируемые разнородными катализаторами, происходят на поверхности катализатора, а не в газовой или жидкой фазе.

Гетерогенный катализ обычно включает в себя следующие процессы:

1. Адсорбция восстановителя(ей) на поверхности катализатора
2. Активация восстановителя(ей) с адсорбентом
3. Реакция восстановителя(ей) с адсорбентом
4. Десорбция продукта(ей) с поверхности катализатора

На рисунке показан механизм реакции, включающий гетерогенный катализ этилена и газообразного водорода на твердой никелевой поверхности, образующий этановый газ (C2H₄ + H₂ ⟶ C2H₆):

А) водород абсорбируется на никелиевой поверхности. Во время этого процесса водородные связи разрываются, образуя никелево-водородные связи.
(b) Этен также адсорбируется на никелевой поверхности, разрывая углеродно-углеродную связь и образуя никелево-углеродные связи.
C) атомы водорода рассеивают по поверхности и образуют новые углерод-водородные связи, когда они сталкиваются с образованием этана (C2H₆).
D) молекулы этана десорбция с поверхности никеля.

Гетерогенный катализ используется для промышленного производства таких химических продуктов, как аммиак, азотная кислота, серная кислота и метанол. Гетерогенные катализаторы также используются в каталитических нейтрализаторах, используемых в большинстве автомобилей с бензиновым двигателем.

Этот текст адаптирован из Openstax, Химия 2е изд., раздел 12.7: Катализ.