Использование катализаторов - наиболее эффективный способ повышения скорости и селективности химико-технолоґических процессов. Суть и виды катализа

Для промышленного использования любой химической реакции необходимым требованием является высокая скорость достижения большого выхода продукта. Но много химических реакций, которые имеют промышленное значение и являются термодинамически возможными, практически не проходят через огромную энергию активации. Известно, что преодолеть высокий энергетический барьер можно значительным повышением температуры. При этом реакция ускоряется вследствие увеличения кинетического движения молекул, т.е. растут вероятности их столкновения и химического взаимодействия. Тем не менее, если даже повышение температуры является экономически целесообразным, что встречается очень редко, то для большинства процессов осуществить его на практике невозможно. В самом деле, в обратимых экзотермических процессах повышение температуры может сместить равновесие в обратную сторону настолько, что реакция полностью затормозится. Часто повышение температуры приводит к термическому распаду реагентов или продуктов реакции, изменению их агрегатного состояния, ускорению образования побочных или нежелательных продуктов реакции. Кроме того, значительное повышение температуры ограничивается возможностями современных конструкционных материалов. Во всех этих случаях необходимо применять катализ.

Катализ - наиболее эффективное и рациональное средство ускорения химических процессов. Каталитические процессы широко используются в промышленности, причем сфера их применения прогрессивно увеличивается: свыше 90 % новых производств, которые внедряются в химическую промышленность, основываются на каталитических процессах.

Каталитические реакции описываются общими законами термодинамики и кинетики, тем не менее в присутствии катализаторов эти реакции ускоряются в тысячи и миллионы раз и требуют значительно низших температур, что экономически выгодно. Целый ряд технологических процессов удалось осуществить лишь благодаря применению катализаторов.

Катализ применяется для получения важных неорганических продуктов: водорода, аммиака, серной и азотной кислот и т.п.. Особенно широкое и разнообразное применение катализа в технологии органических веществ, прежде всего в органическом синтезе - в процессах окисления, гидрирования, дегидрирования, гидратации, дегидратации и т.п.. С помощью катализаторов получают важнейшие полупродукты для синтеза полимеров. Получение высокомолекулярных соединений полимеризацией и поликонденсацией мономеров также осуществляется с участием катализаторов. На применении катализаторов базируется много методов переработки нефтепродуктов: каталитический крекинг, риформинг, изомеризация, ароматизация и алкилирование углеводородов. Многих важных продуктов вообще не удалось бы получить, если бы в арсенале химиков не было нужных катализаторов. Синтетический каучук и яркие краски, мыло и маргарин, пластмассы и лекарства - в их появлении огромную роль сыграли ускорители химических реакций. С помощью катализаторов природные газы перерабатываются в синтетические ткани, которые сверкают всеми цветами радуги, а по прочности не уступают металлам.

Если в процессе образуется несколько продуктов (целевой и побочные), то максимальный выход целевого продукта можно получить, применяя селективный катализ, в котором ускоряется химическая реакция образования именно целевого продукта, а на скорость побочных реакций катализатор в этом случае не влияет.

Катализом называется изменение скорости химических реакций под влиянием особых веществ - катализаторов, которые, принимая участие в реакции, не изменяют своего химического состава после окончания реакции.

Катализаторами могут быть газы, жидкости и твердые вещества. По фазовым составом реагентов и катализатора каталитические процессы разделяют на гомогенные, гетерогенные и ферментативные (микрогетерогенные).

В гомогенном катализе катализатор и вещества, которые реагируют между собой, находятся в одной фазе - газе или растворе. В гетерогенном катализе реагенты и катализатор находятся в разных фазах. Ферментативный (микрогетерогенний) катализ проходит при участии биокатализаторов белковой природы (ферментов, энзимов), которые образуют коллоидные растворы. Ферментативный катализ многими показателями отличается от обычного катализа. Ферментативный катализ проходит значительно быстрее. Тогда как на осуществление реакции с применением химических катализаторов нужны дни, недели или даже месяцы, биохимический катализ обеспечивает ход этой реакции за несколько секунд или даже долей секунды. Вследствие ферментативных реакций, в отличие от безферментных, не образуются побочные продукты (достигается почти 100 %-й выход конечного продукта). В качестве примера ферментативного катализа можно назвать обмен веществ и превращение энергии в клетках живого организма.

Если в присутствии катализатора реакции ускоряются, то такое явление называют положительным катализом. Используются также вещества, которые замедляют или тормозят химические реакции - антикатализаторы или ингибиторы. Это явление называют отрицательным катализом.

Вообще ускоряющее действие катализатора принципиально отличается от действия других факторов, которые интенсифицируют химические реакции: температуры, давления, концентрации, площади поверхности контакта фаз, гидродинамических условий. В случае введения в систему катализатора скорость движения молекул не изменяется. Катализатор не влияет также на сдвиг равновесия, а лишь ускоряет ее достижение в условиях заданной температуры и давления, т.е. есть "мягким" средством интенсификации химических реакций, который не имеет ограничений, характерных, например, для применения высоких температур и давлений.

Влияние ускоряющего действия катализаторов состоит в снижении энергии активации, которое происходит вследствие изменения механизма реакции. Последний может изменяться с изменением стадийности реакции или вследствие осуществления реакции по цепному механизму. С изменением механизма под действием катализатора ход реакции осуществляется через ряд элементарных стадий, каждая из которых требует значительно меньшей энергии активации, чем реакция без катализатора. Скорость реакции тем больше, чем меньше энергия активации согласно уравнению Аррениуса.