3.4.2. Кинетика реакций гетерогенного катализа

Снижение энергии активации реакции в присутствии катализатора объясняется образованием промежуточных соединений (активированных комплексов). Изменение реакционного пути происходит в этом случае благодаря образованию промежуточных непрочных продуктов взаимодействия реагирующих веществ с катализатором.

Вначале катализатор и реагирующее вещество образуют промежуточное соединение, которое затем реагирует с другим исходным веществом, давая конечные продукты реакции и высвобождая катализатор. Промежуточные соединения очень нестойки, с малым периодом жизни, существуют только в процессе катализа. Их свойства резко отличаются от свойств аналогичных соединений, образующих объемную фазу.

Схематично реакцию между исходными веществами А, Б с участием катализатора К можно представить следующим образом:

А + К → АК; AK + B → C + D + K,

где АК – активированное промежуточное соединение;

С и Д – продукты реакции.

Гетерогенное каталитическое превращение является сложным многоступенчатым процессом, включающим:

• диффузию исходных реагентов из ядра газового потока к поверхности гранул катализатора (внешняя диффузия);

• проникание этих веществ в порах катализатора к активным центрам его внутренней поверхности (внутренняя диффузия);

• активированную адсорбцию (хемосорбцию) продиффундировавших реагентов поверхностью катализатора с образованием поверхностных химических соединений;

• химическое взаимодействие адсорбированных веществ с образованием новых продуктов;

• десорбцию продуктов и их перенос к наружной поверхности гранул катализатора (внутренняя диффузия);

• перенос продукта реакции от поверхности катализатора в ядро газового потока (внешняя диффузия).

Таким образом, скорость каталитического превращения при данной температуре зависит от скоростей прямой, обратной и побочной реакций, а также коэффициентов диффузии исходных реагентов и продуктов их взаимодействия. Скорость гетерогенного каталитического процесса определяется относительными скоростями отдельных его стадий и лимитируется наиболее медленной из них. При этом наиболее медленной стадией, лимитирующей процесс каталитического превращения, является диффузионный перенос газообразного вещества через пограничный слой газа, т.е. внешнедиффузионная область.