Каталитические процессы. Положительный и отрицательный катализ. Энергия активации каталитических реакций. Гомогенный, ферментативный и гетерогенный катализ.

Катализ – процесс, происходящий в присутствии катализатора.

Катализаторы -  вещества, изменяющие скорость хим. реакции,  вступающие в химическое взаимодействие с реагирующими веществами, а сами к концу реакции остающиеся химически неизменными и практически в неизменном количестве.

Катализаторы бывают:

1.     положительные  –  повышают скорость химической реакции.

2.     отрицательные – уменьшают скорость химической реакции (используют, что бы замедлить нежелательные реакции, например, коррозию металлов)

• Ингибиторы – вещества,  ингибирующие (замедляющие) процесс. Например, в анатации лекарственных средств есть ингибирующие вещества.
• Антиокислители. Например, что бы масла не окислялись, то к ним добавляют антиокислители
• Антистарители – предотвращают старение многих полимеров (каучук)

В качестве катализаторов используют различные по агрегатному состоянию вещества, чаще твердые -  металлы ( никель, железо, хром, платина), оксиды металлов ( оксид железа (3), оксид ванадия), некоторые соли (хлорид железа 3). Так же в качестве катализаторов используют жидкости – кислоты, и газы (оксид азота 2)

Автокаталитические реакции – реакции, в которых катализатором является один из продуктов (например, в окисление сульфата железа перманганатом калия в кислой среде,  получаемая соль сульфата марганца является катализатором).

Катализаторы характеризуются избирательностью, специфичностью для данной реакции. Есть вещества, которые не являются катализаторами, но помогают активации катализаторов (промоутеры). Например, соли щелочных металлов активируют некоторые катализаторы. Есть вещества, которые замедляют действие катализатора -  каталитические яды, например, оксид углерода 2.

Виды катализа:

1.     гомогенный – катализатор и реагирующие вещества образуют гомогенную систему (либо все в растворе, либо все газы)

2.     гетерогенный -  катализатор и реагирующие вещества находятся в различных фазах

Например,

               3Н2 + N2       Pt                  2NH3

3.     ферментативный –  в качестве катализатора выступает фермент:

                2H2 O2            каталаза           2H2 O  +   O2

Теория гомогенного катализа:

Катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из реагирующих веществ, образуя непрочное промежуточное соединение, которое обладает высокой активностью. Это промежуточное соединение вступает во взаимодействие с другим веществом, а катализатор остается химически неизменным.

Без катализатора:  А + В= АВ (большая Е0)

С участием катализатора:

1.     К + А = АК (меньше  Е0)

2.     АК + В = АВ + К

Катализатор направляет реакцию по пути, которому соответствует  меньшая энергия активации. В результате скорость реакции будет больше.

Теория гетерогенного катализа:

Общее, что  происходит адсорбция реагирующих веществ на поверхности твердого катализатора. В результате адсорбции вещество концентрируется на небольшой поверхности, а его концентрация увеличивается. Следовательно, по закону действующих масс скорость реакции увеличивается. Не вся поверхность катализатора обладает  активностью, а только активные центры катализатора. Роль активных центров могут выполнять атомы в узлах кристаллической решетки катализатора, или инородные включения. У разных авторов разные  взгляды на природу активных центров.

Теория ферментативного катализа:

 Без катализатора: в начале концентрация субстрата  не меняется, потом  плавно уменьшается и практически перестает уменьшаться.

Изменение скорости ферментативной реакции со временем: в начале скорость  увеличивается, затем становится постоянной, и затем уменьшается.

Механизм:

S + E = SE, S – субстрат, Е – фермент, SE – промежуточное соединение,

SE = P+ E, Р – продукт

Энергия активации E каталитических реакций значительно меньше, чем для той же реакций в отсутствие катализатора. Например, для некаталитического разложения NH3 на N2 + Н2 E ~ 320 кДж/моль, для того же разложения в присутствии Pt Е ~ 150 кДж/моль. Благодаря снижению E обеспечивается ускорение каталитических реакций по сравнению с некаталитическими.