Гетерогенный катализ. 
Химия

Остановимся теперь кратко на гетерогенном катализе. В этом случае реакция происходит на поверхности раздела фаз, причем обычно катализатор представляет собой твердое тело, а субстрат — жидкость или газ. Гетерогенный катализ очень удобен тем, что катализатор не смешивается с реагентами и не возникает проблемы отделения его от продуктов реакции. Первые гетерогенно-каталитические реакции были осуществлены еще в конце XVIII в. — дегидратация этилового спирта на активной глине (Пристли):

и дегидрирование этилового спирта на меди, железе, никеле, серебре, церии (Ван-Марум):

В настоящее время гетерогенный катализ применяется в промышленности в огромных масштабах, в частности значительная часть добываемых платиновых металлов идет на производство катализаторов. Твердые катализаторы применяются при синтезе аммиака из азота и водорода, для крекинга и риформинга нефти, приводящих к повышению выхода высокооктанового бензина, в каталитических дожигателях, которые уменьшают токсичность выхлопных газов, и т. д. Трудно перечислить даже важнейшие процессы многотоннажного неорганического и органического синтеза, которые основаны на гетерогенном катализе.

Механизмы действия гетерогенных катализаторов включают следующие основные стадии:

• 1) движение реагирующих веществ к поверхности катализатора (диффузия);
• 2) адсорбции реагентов поверхностью катализатора;
• 3) их взаимодействие на поверхности;
• 4) десорбция продуктов реакции с освобождением поверхности катализатора.

Энергия адсорбции способствует разрыхлению и поляризации определенных химических связей, активирует сами реагирующие молекулы, что особенно важно в случае кратносвязанных неполярных молекул типа N₂ или 0₂. Энергия адсорбции должна быть достаточной для этого, но не слишком высокой, чтобы продукт в дальнейшем не задерживался на поверхности катализатора.

В зависимости от условий проведения процесса и его особенностей лимитирующей может оказаться любая из этих стадий. С точки зрения понимания действия катализатора вторая стадия наиболее интересна. Адсорбция реагирующих молекул на поверхности катализатора обеспечивает их благоприятную взаимную ориентацию в течение времени, необходимого для взаимодействия.

В качестве примера обратимся к хорошо известному синтезу Габера, с помощью которого в мире ежегодно синтезируют десятки миллионов тонн аммиака. Катализатором обычно служит железо, специально активированное добавками таких оксидов, как Al., 0., К., О и СаО. Главным препятствием для прямого протекания реакции служит огромная энергия тройной связи N=N в молекуле азота (942 кДж/моль), поэтому необходимыми стаднями каталитического процесса являются адсорбция азота поверхностью катализатора и его последующая диссоциация. Не анализируя полностью сложный механизм этого процесса, отметим только следующие его важнейшие стадии:

Здесь индекс (аде) означает, что частица адсорбирована поверхностью катализатора.

Отметим, что требования к гетерогенному катализатору не ограничиваются лишь подходящей энергией адсорбции, большую роль играют пространственное расположение адсорбированных молекул и электронное строение поверхностного слоя катализатора. Действительно, в некоторых случаях разные катализаторы приводят к выделению разных продуктов из одних и тех же исходных веществ. Выше уже упоминались различные варианты разложения этилового спирта на разных катализаторах.