Катализатор в химии и технике¶

Катализатор — вещество, которое ускоряет химическую реакцию, но само в ней не расходуется и не входит в состав конечных продуктов. Катализатор участвует в промежуточных стадиях процесса, образуя с реагентами нестойкие соединения, и регенерируется после завершения реакции. Это отличает его от реагентов: количество катализатора остаётся неизменным, хотя он может многократно вступать во взаимодействие. Явление ускорения реакции под действием таких веществ называется катализом, а замедления — ингибированием (вещества-замедлители называют ингибиторами).

¶Общие сведения

Катализ известен с давних времён, но как научное понятие оформился в XIX веке. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1835 году ввёл термин «катализ» и предположил существование особой «каталитической силы». Русский химик Николай Зелинский внёс вклад в изучение катализа, а немецкий учёный Вильгельм Оствальд в конце XIX — начале XX века разработал количественную теорию и в 1909 году получил Нобелевскую премию по химии за работы по катализу.

Ключевое свойство катализатора — избирательность (селективность): одно и то же вещество может ускорять лишь определённые реакции, не влияя на другие. Катализатор не смещает химическое равновесие, а лишь ускоряет его достижение: он одинаково ускоряет и прямую, и обратную реакцию. Это фундаментальное положение катализа.

¶Классификация

По фазовому состоянию различают:

• Гомогенный катализ — катализатор и реагенты находятся в одной фазе (обычно в растворе или газовой смеси). Пример — кислотный катализ в растворах.
• Гетерогенный катализ — катализатор образует отдельную фазу (чаще твёрдую), а реагенты находятся в газе или жидкости. Реакция идёт на поверхности раздела фаз. Это наиболее распространённый тип в промышленности.
• Ферментативный катализ — реакции в живых организмах ускоряются биологическими катализаторами — ферментами (энзимами).

По природе действующего начала выделяют кислотно-основный катализ, окислительно-восстановительный, металлокомплексный и другие виды.

¶Механизм действия

При гетерогенном катализе процесс включает несколько стадий: диффузию реагентов к поверхности, адсорбцию молекул на активных центрах, собственно химическое превращение и десорбцию продуктов. Активные центры — участки поверхности, обладающие повышенной реакционной способностью. Катализатор снижает энергию активации реакции, благодаря чему возрастает доля молекул, способных преодолеть энергетический барьер.

При гомогенном катализе образуются промежуточные соединения, которые затем распадаются с выделением продукта и восстановлением катализатора. Например, в реакции с участием кислоты протон присоединяется к молекуле реагента, облегчая её превращение.

¶Применение

Катализ лежит в основе большинства крупнотоннажных химических производств:

Катализаторы применяются в нефтепереработке, нефтехимии, производстве полимеров, фармацевтике, пищевой промышленности. Каталитические нейтрализаторы автомобилей снижают токсичность выхлопа. В биологии ферменты обеспечивают протекание реакций обмена веществ при температурах, близких к температуре тела.

¶Катализаторы в природе и технике

Ферменты — белковые катализаторы — обладают исключительной селективностью и эффективностью, ускоряя реакции в миллионы раз. Каталитические процессы идут в почве, атмосфере, живых клетках. В технике различают промоторы (вещества, усиливающие действие катализатора) и каталитические яды (вещества, снижающие или полностью подавляющие активность, например соединения серы для многих металлических катализаторов).

¶Значение

Катализ позволяет проводить реакции в мягких условиях, повышать выход продукта и снижать энергозатраты. По оценкам, каталитические процессы лежат в основе производства значительной части химической продукции. Развитие катализа связано с созданием новых материалов — цеолитов, металлокомплексных и наноразмерных катализаторов.

Источники: учебники по общей и физической химии, работы В. Оствальда и Н. Зелинского, справочные издания по химической технологии.