Виды и особенности катализаторов химических реакций

Что такое катализатор реакции?

Речь идет о веществе, которое способно ускорять протекание превращения многократно. Процесс в химии, протекающий в присутствии ускорителей превращений, называется катализом. Катализ характеризуется тем, что вещество, ускоряющее химический процесс, не расходует в ходе протекания последнего, а также не входит в состав конечных продуктов.

Катализ по своему результату может быть двух видов: положительный и отрицательный. Положительный катализ приводит к увеличению скорости превращения. Отрицательный катализ приводит к замедлению или прекращению протекания химического превращения. Вещества, реализующие, отрицательный катализ называются ингибиторами.

Разновидности веществ, ускоряющих химические реакции

Существуют две общепризнанных классификации веществ, которые ускоряют протекания превращений в химии. Первая основывается на агрегатном состоянии катализатора, вторая – на происхождении.

Классификация по агрегатному состоянию

По агрегатному состоянию вещества каталитические соединения можно подразделить на гомогенные и гетерогенные. Гомогенные вещества, ускоряющие химическую реакцию, находятся в одной фазе с реагентами. Гетерогенные вещества, ускоряющие химическое превращение, находятся в разных фаза с реагентами (например, катализатор представлен жидкость, а реагенты – газами).

Свойства гомогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся кислоты и основания. Например, серная кислота ускоряет протекание превращение органических субстратов. Основными свойствами гомогенных соединений являются:

• в большинстве своем жидкости;
• образование в ходе превращения промежуточных продуктов;
• снижение энергии активации посредством образования промежуточных продуктов.

Свойства гетерогенных ускорителей реакции

К данной группе соединений относятся оксиды большинства металлов (Al₂O₃, CaO, BaO, MgO, TiO₂), а также алюмосиликаты и цеолиты. Обозначим основные свойства гетерогенных каталитических веществ:

• являются твердыми веществами;
• обладают развитой поверхностью;
• разводятся на инертном носителе;
• обладают способностью к физической адсорбции реагентов;
• продукты превращения выделяются с поверхности катализатора посредством процесса десорбции;
• катализ возможен благодаря диффузионным процессам.

Классификация по происхождению

По происхождению вещества, ускоряющие процесс протекания превращений в химии, подразделяются на органические и неорганические. Неорганические соединения в основном представлены тяжелыми металлами (свинец, палладий), спектр органический соединений намного шире. Основными представителями органических ускорителей превращений являются энзимы (соединения биологического происхождения). Энзимы – это катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в живых организмах. Ферменты (энзимы) имеют следующие особенности:

• в живых организмах объединены в мультиферментные комплексы;
• ускоряют биохимические процессы в организме в несколько десятков тысяч раз;
• имеют высокую избирательность и специфичность (в отличие от неорганических);
• являются простыми или сложными белками;
• подвержены денатурации под действием денатурирующих агентов;
• способны к ренативации (если она возможна);
• большинство термолабильны (активность ферментов находится в прямой зависимости от колебания температур в живом организме);
• действия ферментов может быть усилено индукторами, и ослаблено (или прекращено) ингибиторами.

Свойства катализаторов

Каталитические вещества, ускоряющие протекание реакций в химии, имеют определенные свойства. Обозначим их:

• Неизменность. После реализации акта катализа каталитическая молекула не меняет химическую структуру и пространственную конфигурацию.
• Сопряжение реакции. Выделяемая теплота в ходе протекания химического превращения не выделяется в окружающую среду, а расходуется с целью снижения энергии активации.
• Синергизм каталитического действия.
• Вещества, осуществляющие катализ, не влияют на энергетический итог реакции, не изменяют положения равновесия химического превращения, не влияют на направленность химического превращения, зависимость химической реакции от катализатора прямая (выражается в пропорциональном изменении скорости химического процесса концентрации каталитического вещества).
• Избирательность. Избирательностью называется способность каталитического соединения выборочно ускорять одну из возможных реакций в термодинамической системе.
• Активность. Активность катализа отражается в эффективности ускорения термодинамического процесса тем или иным соединением. Активность может снижаться, если на катализатор воздействует ингибитор (например, серпин – ингибитор сериновой протеазы – блокирует действие трипсина, нарушая его действие на другие ферменты поджелудочной железы), либо повышаться вследствие явления синергизма каталитического действия или воздействия на каталитическое соединение индукторов.
• Каталитическая активность. Данное свойство лежит в основе понятия «катализатор», так как катализатор – это вещество ускоряющее химическую реакцию, то каталитическая активность математически выражается отношением скорости протекания реакции в присутствии каталитического соединения к скорости протекания того же превращения без присутствия катализатора.

Другие свойства каталитические соединений связаны с их строением и физическими параметрами:

• молекулярная масса;
• размер молекулы;
• атомный состав;
• длительность службы;
• твердость;
• механическая упругость;
• термолабильность;
• термостойкость.

Каталитические системы на основе катализаторов

Современные промышленные каталитические смеси состоят из нескольких компонентов:

• непосредственно катализатор;
• активатор (промотор);
• носитель.

Промотор

Добавление промоторов к каталитическому соединению улучшает следующие свойства последних: активность, избирательность и стабильность в системе. Сам по себе промотор может являться соединением, которое не участвует в протекающем процессе. По своему назначению активаторы подразделяются на две большие группы:

• промоторы, предотвращающие процессы, негативно влияющие на каталитическое соединение;
• промоторы увеличивающие каталитическую активность вещества, ускоряющего реакцию.

Также промоторы подразделены на две большие группы структурообразующие (инертные соединения, предотвращающие слипание частиц) и активирующие (изменяют электронную конфигурацию каталитического соединения в активную фазу катализа).

Носитель

Носитель представляет собой материю, на которую различными методами укладывают катализатор. При использовании носителя увеличивается площадь поверхности действия каталитического соединения, повышается его термостойкость. Благодаря использованию носителей возможна экономия в промышленных условиях достаточно дорогих каталитических элементов (палладий, никель, платина, серебро). Однако стоит отметь, что носитель также может положительно влиять на активность каталитического соединения, поэтому нельзя провести четкую границу между этими двумя понятиями. Носителями могут быть оксид алюминия, силикагель, пемза, каолин, асбест, алюмосиликаты и другие вещества.