Гомогенный катализ

Катализ

Катализатором называется вещество, которое изменяет скорость реакции, но само в ходе процесса не расходуется.

Небольшое количество катализатора может изменять скорость превращения больших количеств реагирующих веществ. Катализ может быть положительным и отрицательным. Положительные катализаторы ускоряют реакции. Роль положительного катализатора состоит в том, что он изменяет механизм реакции, открывает новый путь протекания реакции, при котором ниже энергия активации. В результате увеличивается доля активных молекул и константа скорости реакции. Отрицательные катализаторы, называемые ингибиторами, препятствуют обычному пути протекания реакии, связывая промежуточные вещества и тем самым затрудняют протекание многостадийной реакции, замедляют ее.

Независимо от типа катализатора и химизма процесса катализаторам свойственны следующие особенности:

1. Катализатор никак не меняет стехиометрическое уравнение реакции.

2. Катализатор в равной степени изменяет скорости прямой и обратной реакции, т.е. изменяет скорость достижения равновесия. Это означает, что с помощью катализатора невозможно сместить равновесие.

Для объяснения механизма катализа С.Аррениус высказал предположение, что катализаторы образуют с реагирующими веществами нестойкие промежуточные соединения. Предположим, что реакция А + В ® АВ протекает медленно, а вещество К является катализатором. Согласно теории промежуточных соединений реакция состоит из двух стадий:

А + К ® АК (быстро)

АК + В ® АВ + К (быстро)

суммарно А + В ® АВ (быстро)

Таким образом, катализатор принимает участие в реакции: на одной стадии он расходуется, а на другой регенерируется.

Все катализаторы можно разделить на три группы: гомогенные, гетерогенные и биологические (ферменты).

При гомогенном катализе реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе. Гомогенный катализ может быть в газовой фазе и в растворе. Примером первого типа процессов может служить каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид в присутствии оксидов азота. Примерами гомогенного катализа в растворах могут служить кислотный катализ и основной катализ в реакциях синтеза различных органических соединений. Эти процессы сопровождаются присоединением или отщеплением протона на одной из стадий процесса. Гомогенный катализ в растворах часто осуществляется с использованием ионов переходных металлов. В этих случаях в качестве промежуточных соединений образуются комплексы соответствующих ионов с молекулами реагирующих веществ. Одним из видов гомогенного катализа является автокатализ. В этом случае катализатором является один из продуктов реакции. Например, окисление пероксида водорода перманганат-ионами:

5H₂O₂ + 2MnO₄^– + 6H⁺ ® 2Mn⁺² + 5O₂ + 8H₂O

протекает медленно, но ионы Mn⁺² ускоряют эту реакцию. Поэтому скорость реакции увеличивается по мере накопления ионов Mn⁺². Если нужно, чтобы реакция с самого начала протекала быстро, в реакционную среду следует ввести некоторое количество соли марганца (II).