Каталіз, прискорення хімічних реакцій під дією малих кількостей речовин (каталізаторів), які самі в ході реакції не змінюються. Каталітичні процеси грають величезну роль в нашому житті. Біологічні каталізатори, звані ферментами, беруть участь в регуляції біохімічних процесів. Без каталізаторів не могли б протікати багато промислових процесів.

Найважливіша властивість каталізаторів – селективність, тобто здатність|здібність| збільшувати швидкість лише певних хімічних реакцій з|із| багатьох можливих. Це дозволяє здійснювати реакції, що протікають в звичайних|звичних| умовах дуже|занадто| повільно|поволі|, щоб|аби| їм можна було знайти практичне застосування, і забезпечує утворення потрібних продуктів.

Вживання|застосування| каталізаторів сприяло бурхливому розвитку хімічної промисловості. Вони широко використовуються при переробці нафти, отриманні різних продуктів, створенні|створінні| нових матеріалів (наприклад, пластмас), нерідко|незрідка| дешевших, ніж що застосовувалися раніше. Приблизно 90% обсягу сучасного хімічного виробництва засновано на каталітичних процесах. Особливу роль грають каталітичні процеси в охороні навколишнього середовища.

У 1835 шведський хімік Й.Берцеліус встановив, що у присутності певних речовин швидкість деяких хімічних реакцій істотно|суттєвий| зростає. Для таких речовин він ввів|запроваджував| термін «каталізатор» (від греч|. katalysis| – розслаблення). Як вважав|лічив| Берцеліус, каталізатори володіють особливою здатністю|здібністю| ослабляти|послаблювати| зв'язки між атомами в молекулах, що беруть участь в реакції, полегшуючи таким чином їх взаємодію. Великий внесок у розвиток уявлень про роботу каталізаторів вніс німецький фізикохімік| В.Оствальд, який в 1880 дав визначення каталізатора як речовини, яка змінює|зраджує| швидкість реакції.

Згідно|згідно з| сучасним поданням, каталізатор утворює комплекс з|із| реагуючими молекулами, що стабілізується хімічними зв'язками. Після|потім| перегруповування цей комплекс диссоціює| з|із| вивільненням продуктів і каталізатора. Для мономолекулярної реакції перетворення молекули X в Y весь цей процес можна представити|уявляти| у вигляді|виді|

X + Кат. ® X-кат|. ® Y-кат|. ® Y + Кат.

Каталізатор, що вивільняється, знов|знову| зв'язується з X, і весь цикл багато разів повторюється, забезпечуючи утворення великих кількостей продукту – речовини Y.

Багато речовин за звичайних умов не вступають в хімічну реакцію один з одним. Так, водень і оксид вуглецю при кімнатній температурі не взаємодіють між собою, оскільки зв'язок між атомами в молекулі H2 досить міцний і не розривається при атаці молекулою CO. Каталізатор зближує молекули H2 і CO, утворюючи з ними зв'язки. Після перегруповування комплекс каталізатор – реагенти диссоциирует з утворенням продукту, що містить атоми C, H і O.

Нерідко при взаємодії одних і тих же речовин утворюються різні продукти. Каталізатор може спрямувати процес по шляху, найбільш сприятливому для утворення певного продукту. Розгледимо реакцію між CO і H2. У присутності медьсодержащего каталізатора практично єдиним продуктом реакції є метанол:

Спочатку молекули С і Н2 адсорбуються на поверхні каталізатора. Потім молекули С утворюють з каталізатором хімічні зв'язки (відбувається хемосорбция), залишаючись в недиссоциированной формі. Молекули водню також хемосорбируются на поверхні каталізатора, але при цьому диссоциируют. В результаті перегруповування утворюється перехідний комплекс Н-кат.-CH2OH. Після приєднання атома H комплекс розпадається з вивільненням CH3OH і каталізатора.

У присутності нікелевого каталізатора як С, так і Н2 хемосорбируются на поверхні в диссоциированной формі, і утворюється комплекс Кат.-СН3. Кінцевими продуктами реакції є СН4 і Н2О:

Більшість каталітичних реакцій проводять при певному тиску|тисненні| і температурі, пропускаючи реакційну суміш, що знаходиться|перебуває| в газоподібному або рідкому стані, через реактор, заповнений частками|частинками| каталізатора. Для опису умов проведення реакції і характеристики продуктів використовуються наступні|такі| поняття. Об'ємна швидкість – об'єм|обсяг| газу або рідини, що проходить через одиницю об'єму|обсягу| каталізатора в одиницю часу. Каталітична активність – кількість реагентів, перетворених каталізатором в продукти в одиницю часу. Конверсія – доля|частка| речовини, перетвореної в даній реакції. Селективність – відношення|ставлення| кількості певного продукту до сумарної кількості продуктів (зазвичай|звично| виражається|виказує| у відсотках|процентах|). Вихід – відношення|ставлення| кількості даного продукту до кількості початкового|вихідного| матеріалу (зазвичай|звично| виражається|виказує| у відсотках|процентах|). Продуктивність – кількість продуктів реакції, що утворюються в одиниці об'єму|обсягу| в одиницю часу.

ТИПИ КАТАЛІЗАТОРІВ

Каталізатори класифікують виходячи з природи реакції, яку вони прискорюють, їх хімічного складу або фізичних властивостей. Каталітичними властивостями володіють в тому або іншому ступені|мірі| практично всі хімічні елементи і речовини – самі по собі або, частіше, в різних поєднаннях. По своїх фізичних властивостях каталізатори діляться на гомогенних і гетерогенних. Гетерогенні каталізатори – це тверді речовини, гомогенні диспергіровані| в томуж газовому або рідкому середовищі, що і реагуючі речовини.

Багато гетерогенних каталізаторів містять метали. Деякі метали, що особливо відносяться до VIII групи періодичної системи елементів, володіють каталітичною активністю самі по собі; типовий приклад – платина. Але більшість металів проявляють каталітичні властивості, знаходячись у складі з'єднань; приклад – глинозем (оксид алюмінію Al2O3).

Незвичайною властивістю багатьох гетерогенних каталізаторів є велика площа їх поверхні. Вони пронизані багаточисельними порами, сумарна площа яких інколи досягає 500 м2 на 1 г каталізатора. У багатьох випадках оксиди з великим майданом поверхні служать підкладкою, на якій у вигляді невеликих кластерів осідають частинки металевого каталізатора. Це забезпечує ефективну взаємодію реагентів в газовій або рідкій фазі з каталітично активним металом. Особливий клас гетерогенних каталізаторів складають цеолити – кристалічні мінерали групи алюмосиликатов (з'єднань кремнію і алюмінію). Хоча багато гетерогенних каталізаторів володіють великим майданом поверхні, зазвичай вони мають лише невелике число активних центрів, яких припадає на частку мала частина сумарної поверхні. Каталізатори можуть втрачати свою активність у присутності невеликих кількостей хімічних сполук, званих каталітичними отрутами. Ці речовини зв'язуються з активними центрами, блокуючи