Поняття про каталіз і каталізатори.

 

Збільшувати швидкість реакцій можна за допомогою каталізаторів. Застосовувати каталізатори доцільніше, ніж підвищувати температуру, тим більше, що її підвищення далеко не завжди можливе.

 

Каталізаторами називаються речовини, що змінюють швидкість

хімічних реакцій.

 

Деякі каталізатори сильно прискорюють реакцію – позитивний каталіз, або простий каталіз, інші сповільнюють – негативний каталіз. Негативний каталіз часто називають інгібіюуванням, негативні каталізатори, що знижують швидкість реакції, - інгібіторами (механізм дії останніх відрізняється від дії каталізаторів).

 

Хімічні реакції, що відбуваються за участю каталізаторів називаються

Каталітичними.

Каталітичний вплив можна чинити на більшість реакцій. Число каталізаторів дуже велике, а їхня каталітична активність досить різна. Сам каталізатор в реакціях не витрачається і до складу кінцевих продуктів не входить.

Розрізняють два види каталізу – гомогенний і гетерогенний.

Гомогенний – (однорідний) каталіз характеризується тим, що реагуючі речовини і каталізатор утворюють однофазну систему: газову або рідку, між каталізатором і речовинами, що реагують, немає поверхні поділу. Звичайно, швидкість хімічної реакції пропорційна концентрації каталізатора.

 

При гетерогенному каталізі реагуючі речовини і каталізатор утворюють систему з різних фаз. У цьому випадку між каталізаторами і реагуючими речовинами існує поверхня поділу. Звичайно каталізатор – тверда речовина, а реагуючі речовини - гази або рідини. Всі реакції при гетерогенних каталізах відбуваються на поверхні каталізатора. Тому активність твердого каталізатору залежить від властивостей його поверхні (розміру, хімічного складу, будови і стану).

Для позитивних каталізаторів зводиться до зменшення енергії активації реакції, іншими словами, - до зменшення висоти енергетичного бар’єру. При цьому утворюється активований комплекс з нижчим рівнем енергії і швидкість реакції сильно зростає.

Механізм дії каталізаторів звичайно пояснюється утворенням проміжних сполук з однією з реагуючих речовин з утворенням нестійкої проміжної сполуки:

А + К = АК

Реакція відбувається швидко, оскільки енергія активації цього процесу мала. Потім проміжна сполука АК взаємодіє з іншою речовиною, при цьому каталізатор вивільнюється:

АК + В = АВ + К.

Енергія активації цього процесу теж мала, тому реакція відбувається швидко.

Поверхня каталізатора не однорідна. На ній є так звані активні центри. Реагуючі речовини адсорбуються на цих центрах, внаслідок чого збільшується концентрація їх на поверхні каталізатора. Це частково прискорює реакцію. Однак головною причиною зростання швидкості реакції є значне підвищення хімічної активності молекул. Під дією каталізатора в адсорбованих молекулах послаблюються також за рахунок зниження енергії активації.

Слід особливо оголосити, що для каталізатора вибіркова, тому, застосовуючи різні каталізатори, можна з однією й тож сомою речовини отримати різні продукти. Так, наприклад, при наявності каталізатора оксиду алюмінію Аl₂О₃ при 300⁰С з етилового спирту добувають воду й етилен:

 

С₂Н₅ОН = Н₂О + С₂Н₄

При цій самій температурі, але при наявності сильно подрібненої міді з етилового спирту утворюються водень і альдегід:

 

С₂Н₅ОН = Н₂ + СН₃ – С = О

Н

 

Досвід доводить, що для кожної реакції існує оптимальний каталізатор.

 

Роль каталізаторів у хімічному виробництві винятково велика. Добування сірчаної кислоти, синтез аміаку, добування рідкого палива з твердого вугілля, переробка нафти й природного газу, добування штучного каучуку, пластмас, гідрогенізація жирів – ось далеко не повний перелік найважливіших виробництв, де застосовуються каталізатори.

 

 

Особливу роль відіграють біологічні каталізатори – ферменти. За їх участю відбуваються складні хімічні процеси у рослинних і тваринних організмах. За хімічною структурою ферменти належать до білків.