§ 42. Катализ. Катализато

Определения и обозначения

Катализ — изменение скорости химической реакции под действием катализатора. Это понятие описывает влияние особого вещества на ход превращения, а не отдельный тип химической реакции. Знание определения помогает отличать каталитический процесс от реакции, скорость которой меняется, например, только из-за температуры.

Катализатор — вещество, которое изменяет скорость реакции и не расходуется в суммарном уравнении. Это не означает, что вещество совсем не соприкасается с реагентами: оно может временно превращаться в промежуточных стадиях. Понятие нужно, чтобы объяснять ускорение реакции и понимать, почему катализатор не является конечным продуктом.

Гомогенный катализ — катализ, при котором катализатор и реагенты находятся в одной фазе. Фазой называют однородную часть системы, например газовую смесь или раствор. Такое определение позволяет установить, что взаимодействие возможно в объёме всей смеси, а не только на границе с твёрдым веществом.

Гетерогенный катализ — катализ, при котором катализатор и реагенты находятся в разных фазах. Часто катализатор твёрдый, а реагенты — газы или растворённые вещества. Определение помогает связать скорость реакции с поверхностью катализатора, на которой происходит взаимодействие.

Как это устроено

Чтобы реакция произошла, частицам нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Катализатор даёт возможность пройти превращение по альтернативной последовательности стадий, для которой этот барьер ниже. При той же температуре больше столкновений оказываются результативными, поэтому скорость возрастает. Катализатор при этом участвует в промежуточных взаимодействиях, но в конце цикла восстанавливается.

В гомогенном катализе реагенты и катализатор смешаны в одной фазе. Частицы могут перемещаться и встречаться по всему объёму, поэтому для реакции не требуется сначала добраться до отдельной поверхности. Катализатор взаимодействует с реагентами, образуя промежуточные частицы, а затем высвобождается при последующих превращениях. Так объясняется, почему его действие распространяется на всю смесь.

При гетерогенном катализе контакт реагентов с катализатором сначала происходит на границе фаз. Частицы реагентов адсорбируются — удерживаются поверхностью, где могут сблизиться и вступить в реакцию; затем продукты покидают поверхность. Если измельчить твёрдый катализатор, площадь контакта обычно увеличится, и доступных мест для адсорбции станет больше. Поэтому скорость может возрасти, хотя масса катализатора осталась прежней.

Катализатор ускоряет достижение равновесия, но не смещает его и не меняет равновесный состав смеси. Причина в том, что он ускоряет не только прямую, но и обратную реакцию. Если система уже достигла равновесия, скорости этих процессов остаются равными, а соотношение веществ не меняется. Катализатор помогает системе быстрее прийти к этому состоянию, но не задаёт новое положение равновесия.

Катализаторы могут быть избирательными: разные вещества способны направлять исходные реагенты по разным последовательностям промежуточных превращений. Если доступные пути приводят к различным продуктам, выбор катализатора влияет на то, какой из них образуется преимущественно. Это полезно в химическом производстве, где важно не только ускорить процесс, но и получить нужное вещество. Избирательность объясняет, почему один и тот же набор исходных веществ может давать разные продукты при разных катализаторах.

Сравнение видов катализа

Чтобы определить вид катализа, сравните фазу катализатора с фазами реагентов, а не с состоянием продуктов. Для ферментативного катализа дополнительно учитывайте, что катализатором служит фермент — биологическая молекула с избирательным действием. Примеры в таблице показывают типичные случаи, но конкретные фазы зависят от условий реакции.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему добавление катализатора ускоряет разложение пероксида водорода, хотя катализатор не записывают среди конечных продуктов реакции. Нужно связать скорость процесса с ходом превращения и проследить судьбу катализатора. Сам факт отсутствия катализатора в суммарном уравнении не означает, что он не вступает во взаимодействия.

1. Катализатор создаёт альтернативный путь разложения пероксида водорода с меньшей энергией активации.
2. На промежуточной стадии он взаимодействует с реагентами и временно переходит в другую форму.
3. В последующей стадии эта форма превращается обратно в исходный катализатор, поэтому он не входит в суммарное уравнение.

Ответ. Катализатор ускоряет реакцию за счёт пути с меньшей энергией активации. Он участвует в промежуточных стадиях, но к концу каталитического цикла восстанавливается и потому не записывается среди конечных продуктов.

Задача 2. Для реакции в растворе указано, что катализатор растворён в той же фазе, что и реагенты. Определите вид катализа и объясните, где происходит взаимодействие. Решать задачу нужно по фазам участников реакции, а не по названию вещества или виду продуктов. Раствор в данном случае представляет общую жидкую фазу.

1. Установите, что реагенты находятся в растворе и катализатор также растворён в нём.
2. Сопоставьте фазы: и реагенты, и катализатор принадлежат одной фазе.
3. По определению такой катализ называют гомогенным; частицы взаимодействуют в объёме раствора.

Ответ. Это гомогенный катализ, поскольку катализатор и реагенты находятся в одной фазе. Их взаимодействие происходит по всему объёму раствора, где частицы могут встречаться.

Задача 3. Твёрдый катализатор измельчили, не меняя его массу, и скорость реакции возросла. Объясните наблюдение и назовите этапы гетерогенного катализа. Здесь важно различать количество вещества катализатора и размер его поверхности. Измельчение меняет доступность поверхности, хотя масса остаётся прежней.

1. Измельчённые частицы в сумме имеют большую площадь поверхности, доступную реагентам.
2. Реагенты адсорбируются на этой поверхности, затем взаимодействуют в ходе реакции.
3. Образовавшиеся продукты покидают поверхность; увеличение числа доступных участков ускоряет процесс.

Ответ. Скорость возросла, потому что увеличилась площадь поверхности и стало доступно больше мест для адсорбции реагентов. Основные этапы: адсорбция реагентов, взаимодействие на поверхности и уход продуктов с поверхности.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что катализатор обязательно ускоряет любую реакцию. Обычно так думают, потому что связывают слово «катализатор» с универсальным ускорителем. На деле вещество влияет на реакцию только тогда, когда для неё доступен соответствующий каталитический путь. Проверьте себя: объясните, какую именно последовательность стадий может обеспечить данный катализатор.

Ошибка: полагать, что катализатор совсем не участвует в реакции. Так можно решить, увидев, что катализатор не указан среди конечных продуктов. Однако он взаимодействует с реагентами на промежуточных стадиях и затем восстанавливается. Для проверки проследите не только суммарное уравнение, но и отдельные этапы каталитического цикла.

Ошибка: считать, что катализатор смещает равновесие к продуктам. Это заблуждение возникает потому, что после добавления катализатора продукт образуется быстрее. Но катализатор ускоряет и прямую, и обратную реакции, поэтому равновесное положение не меняется. Проверка проста: различайте скорость достижения равновесия и состав смеси в равновесии.

Ошибка: путать гомогенный и гетерогенный катализ. Иногда вид катализа определяют по агрегатному состоянию продуктов или по привычному примеру. Критерий другой: нужно сравнить фазы реагентов и катализатора. Перед ответом явно назовите фазу каждого из них; совпадают они — катализ гомогенный, различаются — гетерогенный.

Связь с другими темами

Для понимания катализа нужны знания о скорости химической реакции и энергии активации: они объясняют, почему изменение пути меняет скорость. Катализ связан с химическим равновесием и промышленными способами получения веществ, где важно управлять скоростью процесса, не меняя равновесный выход. Ферментативный катализ развивает эти представления применительно к ферментам и биохимическим реакциям. Так общие закономерности химии помогают объяснять процессы в живых системах.

Что запомнить

• Катализатор изменяет скорость реакции.
• Катализатор участвует в промежуточных стадиях и регенерируется.
• Катализатор предоставляет путь с меньшей энергией активации.
• В гомогенном катализе катализатор и реагенты находятся в одной фазе.
• В гетерогенном катализе катализатор и реагенты находятся в разных фазах.
• Катализатор не изменяет положение химического равновесия.