Общие сведения. Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами

Катализ – ускорение химической реакции в присутствии веществ – катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Благодаря катализу повышается скорость реакций даже при небольших температурах, активизируется образование только определенных продуктов из ряда возможных. Катализ – основа многих химико-технологических процессов, например, производства серной кислоты, некоторых полимеров, аммиака и др. Большинство превращений, происходящих в живых организмах, также являются каталитическими (ферментативными).

Хорошо известна реакция между кислородом и водородом, приводящая к образованию воды:

2H₂ + O₂ → 2H₂O

Смесь двух объемов газообразного водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, способна реагировать со взрывом и выделением, большого количества тепла. Однако реакция протекает настолько медленно, что даже после продолжительной выдержки данной смеси вряд ли удастся обнаружить хоть какое-нибудь количество воды. Скорость реакции существенно повышается при нагревании реакционной смеси или при воздействии на нее электромагнитного излучения. Аналогичное действие оказывает и введение катализатора, который помогает преодолеть энергетический барьер, препятствующий началу реакции.

Некоторые промышленные химические процессы проводятся в газовой форме при наличии твердых катализаторов. Однако на практике чаще всего осуществляются жидкофазные каталитические процессы. В последние десятилетия не менее 20% всей промышленной химической продукции производят каталитическим способом.

К довольно эффективным катализаторам относятся ионообменные смолы, металлоорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическим свойством обладают многие химические элементы периодической системы Менделеева, среди которых важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

Некоторые катализаторы позволяют уменьшить в химических превращениях не только температуру, но и давление. Например, разработанный в нашей стране катализатор дал возможность синтезировать метанол при давлении 50 атм. и температуре 260–290° С, в то время как раньше такой синтез проводился при давлении до 1000 атм. и температуре 300–400° С.

Ряд катализаторов существенно ускоряет химические реакции. С участием катализатора скорость некоторых реакций увеличивается в 10 млрд. раз. Селективные катализаторы оказывают такое же сильное влияние, но лишь на одну из многих конкурирующих реакций. Стереоселективные катализаторы позволяют не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствуют образованию молекул определенной формы и зачастую сильно влияют на физические свойства продукта, такие как прочность, твердость, пластичность, а также на активность биологических объектов.

Каталитические процессы можно классифицировать с учетом их физической и химической природы. Различают несколько основных видов катализа: гетерогенный и гомогенный, электрокатализ, фотокатализ и ферментативный катализ. В гетерогенном катализе химическая реакция происходит в поверхностных слоях на границе раздела твердого тела и газообразной или жидкой смеси реагентов. При гомогенном катализе исходные реагенты находятся в одной фазе (газовой или жидкой). В электрокатализе реакция протекает на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока. В нем в отличие от гетерогенного катализа возможно управление химическим процессом при изменении электрического тока. При фотокатализе химическая реакция стимулируется энергией поглощенного излучения, и она может происходить на поверхности твердого тела (в том числе и на поверхности электрода) или в жидком растворе. Процесс с участием ферментов называется ферментативным катализом. Ему присущи свойства как гетерогенного, так и гомогенного катализа. Ферменты – это большие белковые структуры, способные удерживать молекулы реагента в ждущем состоянии до начала реакции. Фермент, кроме того, собирает подходящее химическое окружение, катализирующее нужную реакцию по прибытии партнера.