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).

СХОЖИЕ СТАТЬИБОЛЬШЕ ОТ АВТОРА