Влияние катализатора на скорость химической реакции

Катализатор - это вещество, которое или резко меняет скорость реакции, или вызывает последнюю, если она не идет, но принципиально возможна, т.е. G < 0.

Сам катализатор (Kat) принимает участие в промежуточных процессах, но регенерируется в конце реакции, т.е. стехиометрически в реакции не участвует. В большинстве случаев катализаторы увеличивают скорость реакции.

Например, самопроизвольное разложение пероксида водорода:

2H₂O₂ = 2H₂O + O₂

происходит медленно, но добавление незначительного количества диоксида марганца (MnO₂) ускоряет реакцию почти до взрыва. Смесь алюминия и паров иода при комнатных температурах не обнаруживает заметных признаков взаимодействия, но достаточно капли воды, чтобы вызвать бурную реакцию:

Существуют катализаторы, оказывающие противоположный эффект, т.е. замедляющие скорость реакций - ингибиторы.

Они замедляют нежелательные процессы, например, коррозию. Катализаторы отличаются избирательностью (селективностью) действия.

Например, в зависимости от вида катализатора и условий проведения реакции из этилового спирта можно получить до 40 видов различных продуктов.

Огромное практическое значение катализаторов обусловлено возможностью быстро, без затраты энергии получать в больших количествах самые разнообразные вещества. Химические производства, использующие катализаторы, перерабатывают самое дешевое сырье, которое дает природа: природные газы, воздух, руды, нефть, уголь и др., преобразуя их в синтетический каучук и другие полимеры, высококачественные бензины, аммиак, азотную и серную кислоты, минеральные удобрения, органические растворители, красители и многие другие ценные продукты.

Явление селективного ускорения химических реакций под действием катализаторов называется катализом (от греч. katalysis -возбуждение). Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе реагенты и катализатор образуют одну фазу. Например, присутствие оксида азота (II) сильно ускоряет реакцию:

2SO₂ +O₂ = 2SO₃

в нитрозном способе получения серной кислоты.

В случае гетерогенного катализа реагенты и катализатор образуют несколько фаз.

Этот вид катализа происходит на границе раздела фаз - обычно на поверхности раздела между твердой и жидкой или твердой и газовой фазами.

Например, синтез аммиака из азота и водорода удалось осуществить с помощью катализатора, представляющего собой смесь металлического железа с добавками оксида калия и алюминия.

N₂ + 3H₂ 2NH₃

Крекинг нефти осуществляется на катализаторах, напоминающих обычную глину.

Гидрирование растительного масла протекает на никелевом катализаторе (никель на кизельгуре).

Влияние катализатора на снижение барьера активации.

и - энергии активации прямой и обратной реакций без катализатора.

Е_к - снижение энергии активации прямой и обратной реакций в присутствии катализатора.

Действие катализаторов связано с тем, что они вступают в промежуточное взаимодействие с реагентами, направляя процесс на новый путь, характеризующийся более низким энергетическим барьером (рис.).