Содержание статьи
Из перечисленных выше и других многочисленных примеров катализа следует, что катализатор участвует в химической реакции, ускоряя ее, но при этом не расходуется.
Как же происходят каталитические химические реакции?
Каждая каталитическая реакция представляет собой последовательность элементарных стадий, в которой реагирующие молекулы А, В и С связываются с катализатором К в комплекс (А..В..С)К. Последний переходит в крайне неустойчивый короткоживущий (около 10-15 с) активированный комплекс (А..В..С)К≠, распад которого приводит к образованию продуктов А и ВС и освобождению катализатора:
АВ + С + К→ (А..В..С)К≠→А + ВС + К
После получения продукта катализатор возвращается в исходное состояние и способен снова участвовать в следующем акте реакции. Следовательно, каталитические реакции являются многостадийными и циклическими. Как видим, катализатор взаимодействует с исходными реагентами, но сам при этом не входит в состав продукта, т.е. не расходуется.
АB+К → [АB]К,
[АB]К + C → [АBC]К,
[АBC]К → А + BC +К
Так, каталитический цикл для реакции окисления SO2 можно представить, как это изображено рис. 2.1.
Рис. 2.1. Каталитический цикл реакции окисления SO2:
SO2 + O2 = SO3
Это очень простой каталитический цикл. Для других реакций циклы могут быть значительно сложнее. Так, реакция гидрирования олефинов может быть осуществлена на металлокомплексном катализаторе − хлориде тристрифенилфосфинродия, так называемом комплексе Уилкинсона. Каталитический цикл в этом случае представлен на рис. 2.2.
Следует отметить, что возвращение катализатора в исходное состояние происходит не всегда. Часто происходят его изменения. Так, например, при протекании реакции окисления аммиака на платиновой сетке, используемой в качестве катализатора,
NH3 + O2 → NO + H2O
наблюдается рекристаллизация платины, т.е. происходит так называемая каталитическая коррозия. Гладкая поверхность платины становится шероховатой.
Рис. 2.2. Каталитический цикл реакции гидрирования олефинов на комплексе Уилкинсона.
Определение катализа
Химия – наука естественная, но не точная. Поэтому многим ключевым химическим понятиям можно дать несколько различающихся определений. Так, например, термины «молекула», «химическая реакция», «комплексное соединение» и многие другие могут быть определены по-разному. Не исключение и катализ. Для него предложено несколько десятков определений, но наиболее общее дал академик А.А. Баландин (1898-1967):
Катализ – воздействие вещества на реакцию, избирательно изменяющее ее кинетику, но сохраняющее ее стехиометрические и термодинамические условия; это воздействие состоит в замене одних элементарных процессов другими, циклическими, в которых участвует воздействующее вещество. Вносимое вещество называется катализатором, оно не изменяется количественно в результате реакции и не смещает равновесия.
Поясним некоторые термины, используемые в этом определении катализа
- стехиометрические условия – количественные соотношения реагентов и продуктов, обусловленные уравнением реакции;
- кинетика – скорость химической реакции, так как именно она определяет скорость перехода исходных реагентов в конечные;
- термодинамические условия – изменение потенциальной энергии системы в результате реакции; оно не зависит от того, по какому пути исходные реагенты превращаются в конечные продукты (рис. 3).
