Влияние катализаторов на скорость химической реакции

Наиболее мощным средством интенсификации химических реакций является применение катализаторов, т. е. веществ, которые ускоряют химические реакции, но не испытывают химические превращения в их результате. Явление изменения скорости реакции под воздействием катализаторов называется катализом.

Катализаторы не влияют на термодинамику реакции, т. е. не изменяют энтальпию и энергию Гиббса реакции. Если энергия Гиббса реакции положительна, то в присутствии катализаторов эта реакция не станет самопроизвольной.

Кроме способности ускорять реакции, катализаторы обладают селективностью (избирательностью). Под влиянием катализаторов реакции могут протекать более избирательно, т. е. с увеличением выхода определенных продуктов. Например, этанол — С₂Н₅ОН в присутствии оксидов алюминия и тория разлагается на этилен и воду:

а в присутствии никеля, железа, серебра или меди — на ацетальдегид и водород:

Каталитическая активность (т.е. способность ускорения реакции) многих катализаторов возрастает при добавлении небольших количеств некоторых веществ, называемых промоторами, которые без катализатора каталитически неактивны. Например, скорость окисления диоксида серы (S0₂) на катализаторе — оксиде ванадия (У) возрастает в сотни раз при добавлении к V₂0₅ сульфатов щелочных металлов.

В то же время имеются вещества, которые ухудшают каталитическую активность. Их называют каталитическими ядами. Например, ртуть, соединения серы, мышьяка могут отравить платиновый катализатор.

Механизм катализа зависит от типа реакции.

Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор находится в том же агрегатном состоянии, что и реагирующие вещества, например в нитрозном способе получения серной кислоты катализатором окисления сернистого газа до серного ангидрида является газообразный оксид азота (П):

При гетерогенном катализе катализатор находится в отличном от реагирующих веществ агрегатном состоянии. Например, в контактном способе получения серной кислоты катализатором окисления оксида серы является твердый V₂0₅.

Ускорение каталитической реакции в основном вызывается уменьшением энергии активации при образовании промежуточного комплекса реагента с катализатором. В промежуточном комплексе катализатор вызывает перераспределение электронной плотности связи в молекуле реагирующего вещества, прочность связи понижается, для ее разрыва требуется меньшая затрата энергии.

Все реакции в живой клетке катализируются ферментами — биологическими катализаторами. Ферменты являются полимерами (белками) или комплексами полимеров с низкомолекулярными соединениями — активными центрами, которые и осуществляют превращения. Механизм их действия включает образование комплекса «активный центр фермента — реагент» но типу «замок — ключ». Ферменты значительно активнее неферментативных катализаторов. Например, фермент каталаза снижает энергию активации реакции разложения пероксида водорода в 10 раз, а скорость реакции увеличивает более чем на 10 порядков.