Каталитические процессы, Значение явлений катализа

Уже в ранний период развития химической науки были открыты и изучены удивительные явления — влияние на скорость химических превращений присутствия веществ, не принимающих в реакции видимого участия. К их числу относятся: воздействие оксидов азота на окисление диоксида серы в производстве серной кислоты, открытое французскими учеными Клеманом и Дезормом в 1806 г., превращение крахмала в сахар в присутствии разбавленных кислот или диас тазы ячменного солода, обнаруженное в Германии Кирхгофом (1811-1814 гг.), разложение аммиака и разбавленных растворов пероксида водорода под действием многих твердых тел, изученное французским химиком Тенаром (1813-1818 гг.), окисление паров спирта, эфира и водорода при комнатной температуре в присутствии платины, открытое крупнейшим английским ученым Дэви (1817 г.) и немецким ученым Деберейнером (1821г.), образование эфира из спирта в присутствии серной кислоты, обнаруженное Митчерлихом в Германии (1833 г.), и многие другие.

Митчерлих впервые раскрыл общность этих явлений, названных им контактными реакциями. Почти одновременно, в 1835 г., была опубликована классическая работа выдающегося шведского химика Берцелиуса, в которой он предложил для рассматриваемых явлений новый термин — катализ (от греческого слова katalusiz - разрушение).

Со времени введения Берцелиусом в 1835 г. слова "катализ" этому понятию придавался различный смысл. Да и сейчас сохранились значительные расхождения в определении катализа. Феноменологически катализ можно опрелить как изменение скорости химических реакции под влиянием веществ – катализаторов, многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав.

Особенно существенно, что при катализе происходит промежуточное химическое взаимодействие катализатора с реагирующими веществами. Этим подчеркивается химическая с ущнос ть катализа и проводится четкая граница между явлениями катализа и явлениями изменения скорости химических реакций под влиянием различных физических факторов, например под влиянием инертных насадок, когда скорость реакции между компонентами, находящимися в газовой или жидкой фазе, повышается вследствие увеличения поверхности контакта между этими фазами.

Решающая роль химического взаимодействия с катализатором вытекает из специфичности действия катализаторов. Каталитическую активность нельзя рассматривать как универсальное свойство вещества и оценивать ее можно только по отношению к определенной реакции.

Многие катализаторы проявля ют ак тивность лишь в отношении одной или узкой группы реакций. Особенно специфично действие биологических катализаторов - ферментов. В большинстве случаев ферменты катализируют превращение лишь отдельных химических соединений среди большого числа сходных по строению и даже только одного из смеси изомеров, не вовлекая остальные в химическое превращение.

Наряду с этим некоторые катализаторы активны в отношении довольно широких групп реакций. Так, например, катализаторы кислой природы активны в отношении большого числа реакций изомеризации, гидролиза, дегидратации спиртов, алкилирования и многих других; катализаторы на основе металлического никеля ускоряют различные реакции гидрогенизации и т.д. Надо, однако, заметить, что и среди упомянутых выше типов катализаторов, активных в отношении больших групп реакций, наблюдаются значительные отличия в отношении превращения различных веществ. Наилучшими каталитическими свойствами для отдельных реакций обладают катализаторы определенного состава.

В соответствии с этим состав и химическое строение катализаторов чрезвычайно разнообразны.

В состав промышленных катализаторов входят в различных сочетаниях соединения почти всех элементов. Большинство катализаторов включает в свой состав несколько элементов. Они могут быть в элементной форме, как, например, многочисленные металлические катализаторы и активированный уголь, или в виде различных соединений, как сравнительно простых оксиды, сульфиды, галогениды и др., так и весьма сложных, например комплексы металлов с органическими лигандами или такие многоатомные соединения белковой природы, какими являются ферменты.

Очень важной особенностью катализа является сохранение катализатором своего состава в результате промежуточных химических взаимодействий с реагирующими веществами. Катализатор не расходуется в процессе катализа. Количество реагирующего вещества, которое может испытать превращение в присутствии определенного количества катализатора, не ограничивается какими-либо стехиометрическими соотношениями и может быть очень большим.

Таким образом, явления катализа не с вязаны с изменением свободной энергии катализатора. Этим каталитические реакции коренным образом отличаются от индуцированных реакций, когда определенная химическая реакция ускоряется в результате протекания других реакций, химического превращения индуктора. Количество вещества, превращенного по инд уцируемой реакции, зависит от количества израсходованного индуктора. При катализе такой зависимости нет.

Из этого не следует, что при течении каталитической реакции катализатор не претерпевает никаких изменений. Во многих случаях наблюдаются изменения структуры катализатора, а иногда и его состава в результате взаимодействия с примесями или даже основными компонентами реакционной смеси. Характерным для катализа является то, что все эти изменения представляют собой побочные процессы, ни в коей мере не обусловливающие каталитическое действие.

В большинстве технических каталитических процессов небольшое количество катализатора способствует превращению весьма значительных количеств реагирующих веществ. Так, одна массовая часть катализатора вызывает превращения в производстве серной кислоты 104, при окислении нафталина во фталевый ангидрид 103, в производстве азотной кислоты окислением аммиака 106 мас.ч. реагирующего вещества.

Из того обстоятельства, что каталитическое действие не связано с изменением свободной энергии катализатора, однозначно вытекает невозможность смещения положения равновесия химической реакции под воздействием катализаторов.

Следовательно, вблизи состояния равновесия катализаторы должны в равной степени ускорять как прямую, так и обратную реакцию. При удалении от состояния равновесия это условие может и не выполняться.

Различают положительный катализ - увеличение скорости реакции под влиянием катализатора - и отрицательный катализ, приводящий к уменьшению скорости химического превращения. При положительном катализе проме жуточное взаимодействие реагирующих веществ с катализатором открывает новый, более легкий реакционный путь. При отрицательном катализе, наоборот, взаимодействие с катализатором исключает один из возможных путей реакции, оставляя лишь более медленные, в результате чего реакция замедляется или даже полностью подавляется. Необходимо отметить, что распространенность и значение положительного катализа несоизмеримо больше, чем отрицательного. Комиссия по терминологии ИЮПАК предложила исключить термин "отрицательный катализ", объединив эти явления с другими видами замедления химических реакций под названием "ингибирование". Поэтому в дальнейшем мы будем говорить только о положительном катализе, называя его просто катализом.