Гомогенні каталізатори мають різну хімічну природу – кислоти (Н2SO4 або Н3РО4), підстави (NAOH), органічні аміни, метали, найчастіше перехідні (Fe або Rh), у формі солей, металоорганічних сполук або карбонилов. До каталізаторів відносяться також ферменти – білкові молекули, регулюючі біохімічні реакції. Активний центр деяких ферментів містить атом металу (Zn, Cu, Fe або Мо). Металлсодержащие ферменти каталізують реакції за участю малих молекул (О2, CO2 або N2). Ферменти володіють дуже високою активністю і селективністю, але працюють лише за певних умов, таких, в яких протікають реакції в живих організмах. У промисловості часто використовують т.з. иммобилизованные ферменти.

ЯК ПРАЦЮЮТЬ КАТАЛІЗАТОРИ

Енергетика. Будь-яка хімічна реакція може протікати лише за умови, що реагенти здолають енергетичний бар'єр, а для цього вони повинні придбати певну енергію. Як ми вже говорили, каталітична реакція X ® Y складається з ряду послідовних стадій. Для протікання кожною з них необхідна енергія E, звана енергією активації.

Розгледимо спочатку некаталітичний, «тепловий» шлях. Щоб реакція змогла здійснитися, потенційна енергія молекул X повинна перевищити енергетичний бар'єр Eт. Каталітична ж реакція складається з трьох стадій. Перша – утворення комплексу Х-кат. (хемосорбция), енергія активації якої рівна Еадс. Друга стадія – перегруповування Х-кат. ® Y-кат. з енергією активації Екат, і нарешті, третя – десорбція з енергією активації Едес; Еадс, Екат і Едес багато менше Ет. Оскільки швидкість реакції експоненціально залежить від енергії активації, каталітична реакція протікає значно швидше тепловою при даній температурі.

Каталізатор можна уподібнити інструкторові-провідникові, який веде альпіністів (реагуючі молекули) через гірський хребет. Він проводить одну групу через перевал і потім|і тоді| повертається за наступною|слідуючою|. Шлях|дорога| через перевал лежить значно нижче за той, який лежить через вершину (тепловий канал реакції), і група здійснює|скоює| перехід швидше, ніж без провідника (каталізатора). Можливо навіть, що самостійно група взагалі не змогла б здолати|подолати| хребет.

Теорії каталізу. Для пояснення механізму каталітичних реакцій були запропоновані три групи теорій: геометричні, електронні і хімічна. У геометричних теоріях основна увага обернена на відповідність між геометричною конфігурацією атомів активних центрів каталізатора і атомів тієї частини реагуючих молекул, яка відповідальна за пов'язання з каталізатором. Електронні теорії виходять з вистави, що хемосорбция обумовлюється електронною взаємодією, пов'язаною з перенесенням заряду, тобто ці теорії пов'язують каталітичну активність з електронними властивостями каталізатора. Хімічна теорія розглядує каталізатор як хімічну сполуку з характерними властивостями, яка утворює хімічні зв'язки з реагентами, внаслідок чого формується нестабільний перехідний комплекс. Після розпаду комплексу з вивільненням продуктів каталізатор повертається в початковий достаток. Остання теорія вважається зараз найбільш адекватною.

На молекулярному рівні каталітичну газофазну реакцію можна представити|уявляти| таким чином. Одна реагуюча молекула зв'язується з|із| активним центром каталізатора, а інша взаємодіє з|із| нею, знаходячись|перебувати| безпосередньо в газовій фазі. Можливий і альтернативний механізм: реагуючі молекули адсорбуються на сусідніх активних центрах каталізатора, а потім взаємодіють один з|із| одним. Мабуть|очевидно|, саме такий чином протікають більшість каталітичних реакцій.

Інша концепція передбачає, що існує зв'язок між просторовим розташуванням атомів на поверхні каталізатора і його каталітичною активністю. Швидкість одних каталітичних процесів, у тому числі багатьох реакцій гидрирования, не залежить від взаємного розташування каталітично активних атомів на поверхні; швидкість інших, навпаки, істотно змінюється при зміні просторовій конфігурації поверхневих атомів. Як приклад можна привести ізомеризацію неопентана в изопентан і одночасний крекінг останнього до изобутана і метану на поверхні каталізатора Pt-Al2O3.

ЗАСТОСУВАННЯ КАТАЛІЗУ В ПРОМИСЛОВОСТІ

Те бурхливе промислове зростання|зріст|, яке ми зараз переживаємо, було б неможливе без розвитку нових хімічних технологій. Значною мірою цей прогрес визначається широким застосуванням каталізаторів, за допомогою яких низькосортна сировина перетворюється на високоцінні продукти. Образно кажучи, каталізатор – це філософський камінь сучасного алхіміка, лише|тільки| він перетворює не свинець в золото, а сировину на ліки, пластмаси, хімічні реактиви, паливо|пальне|, добрива і інші корисні продукти.

Мабуть, найперший каталітичний процес, який людина навчилася використовувати, – це бродіння. Рецепти приготування алкогольних напоїв були відомі шумерам ще за 3500 до н.е.

Значною віхою в практичному вживанні|застосуванні| каталізу стало виробництво маргарину каталітичним гідруванням| рослинної олії. Вперше|уперше| ця реакція в промисловому масштабі була здійснена приблизно в 1900. А починаючи|зачинати| з|із| 1920-х років один за іншим були розроблені каталітичні способи отримання нових органічних матеріалів, перш за все|передусім| пластмас. Ключовим|джерельним| моментом стало каталітичне отримання олефінів|, нітрилів|, ефірів, кислот і так далі – «цегли» для хімічного «будівництва» пластмас.

Третя хвиля промислового використання каталітичних процесів доводиться|припадає| на 1930-і роки і пов'язана з переробкою нафти. За своїм обсягом це виробництво незабаром залишило далеко позаду всі інші. Переробка нафти складається з декількох каталітичних процесів: крекінгу, риформінгу|, гидросульфірування|, гідрокрекінгу|, ізомеризації, полімеризації і алкіліровання|.

І нарешті|урешті|, четверта хвиля у використанні каталізу пов'язана з охороною навколишнього середовища. Найбільш відоме досягнення в цій області – створення|створіння| каталітичного нейтралізатора вихлопних газів автомобілів. Каталітичні нейтралізатори, які встановлюють на автомобілі з 1975, зіграли велику роль в поліпшенні|покращанні| якості повітря і зберегли таким чином багато життів.

За роботи в області каталізу і суміжних областей був присуджений близько десятка Нобелівських премій.

Про практичну значущість каталітичних процесів свідчить той факт, що на долю азоту, що входить до складу отриманих|одержувати| промисловим шляхом азотовмісних сполук, доводиться|припадає| близько половини всього азоту, що входить до складу харчових продуктів. Кількість сполук азоту, що утворюються природним чином|природним шляхом|, обмежена, так що виробництво харчового білка залежить від кількості азоту, що вноситься до грунту з|із| добривами. Неможливо