Катализ

Катализ — что это такое и какие виды бывают

Катализ определяется как явление увеличения скорости химической реакции с помощью вещества, которое не является ни субстратом, ни продуктом этого превращения. Такое вещество называется катализатором.

Существуют такие основные виды катализа:

• Гомогенный катализ — этот тип катализа основан на том, что субстрат и катализатор находятся в одинаковых агрегатных состояниях. Чаще всего это жидкая или газообразная фаза. В этом случае катализатор реагирует с одним из субстратов, образует с ним неуправляемый переходный комплекс, и такой комплекс реагирует с другим реагентом. В результате образуются продукты реакции, а катализатор восстанавливается. Заметим, что не все реакции будут протекать таким образом. На практике обычно встречаются многостадийные процессы. Примером гомогенной или, иначе, однофазной реакции является окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI). Все компоненты, т. е. субстраты, катализатор и продукты, присутствуют в газовой фазе.
• Гетерогенный катализ — наиболее часто применяемый тип катализа, например, в процессах химической промышленности. В этом случае катализатор находится в агрегатном состоянии, отличном от остальных реагентов. Обычно это твердое вещество, т. е. так называемый контакт. На его поверхности происходит адсорбция субстратов. Катализатор вступает с ними в реакцию. Образовавшиеся продукты десорбируются и покидают поверхность контакта, освобождая место для следующих субстратов. Применение данного типа катализа дает возможность осуществлять, например, реакции между газообразными веществами, которые в обычных условиях обычно друг с другом не реагируют. Учитывая, что гетерогенный катализ очень важен с промышленной точки зрения, одним из основных вопросов катализа является разработка катализаторов из различных материалов и с формой, способной обеспечить максимально возможную площадь поверхности контакта.
• Ферментативный катализ — энзимы составляют, помимо ферментов, группу белков, участвующих в биокатализе реакций биосинтеза и разложения. Эти процессы происходят в клетках живых организмов и в биологических жидкостях. Ферменты, как и «классические» катализаторы, снижают энергию активации биологической реакции. На их поверхности находятся так называемые активные центры, которые по своей форме и структуре совместимы только с определенными субстратами. Таким образом, селективность энзимов в качестве катализаторов составляет 100 %. Кроме того, такой катализ называют «моделью ключа и замка». После образования энзим-субстратного комплекса часть связей разрывается, и образуются продукты. Затем энзим освобождается и возвращается в исходную форму.

Интересным явлением является автокатализ. Он происходит, когда продукт реакции становится ее катализатором. Таким образом, по мере протекания реакции она протекает все быстрее и быстрее. Примером такого автокаталитического процесса является реакция KMnO₄ с окисленной водой в кислой среде. Образующиеся при этом ионы (т. е. Mn²⁺) служат катализатором исходной реакции.

Катализаторы

Катализаторы — это химические вещества, которые, будучи введенными в реакционную систему, ускоряют протекание химической реакции. Важно отметить, что в ходе реакции они не претерпевают химических превращений и по завершении реакции восстанавливаются до исходной формы. Катализатор, добавленный в реакционную систему, образует с субстратом неустойчивую переходную связь. Это позволяет снизить энергию активации. Важно отметить, что катализатор не входит в стехиометрическое уравнение всего процесса. Кроме того, невозможно инициировать реакцию с помощью катализатора, который термодинамически не способен к этому.

Чтобы данная химическая реакция произошла при определенных условиях, необходима подача энергии, превышающей требуемую энергию активации. В этом случае задача катализатора — уменьшить количество необходимой энергии, чтобы реакция началась быстрее. Следует помнить, что катализатор не влияет на сдвиг равновесного состояния рассматриваемой реакции. Он лишь ускоряет момент его достижения системой. Чем быстрее он это делает, тем более активным он считается. Таким образом, активность катализатора определяется как разница в скорости достижения равновесного состояния реакции в присутствии катализатора и при его отсутствии. Еще одним критерием, характеризующим катализаторы, является их селективность. Она определяется как отношение количества образовавшегося продукта к общему количеству всех продуктов, образовавшихся в ходе реакции. Вещества, применяемые в промышленности в качестве катализаторов, обычно достигают селективности от 70 % до 90 %. В этом отношении энзимы являются необыкновенными. Уровень селективности, достигаемый ими в биохимических реакциях, доходит до 100 %.

Значение катализа в промышленных процессах

Сегодня катализ играет ключевую роль во многих процессах, особенно в химической промышленности. Катализаторы способствуют более эффективному производству химических веществ, которые, в свою очередь, применяются, например, при производстве удобрений. Ниже приведены три примера технологических процессов химической промышленности, в которых применяется катализ. Приведенные катализаторы являются одними из наиболее распространенных. Однако следует иметь в виду, что на рынке постоянно появляются новые или модифицированные решения, которые постепенно вытесняют ранее применяемые вещества.

Производство азотной кислоты (V)

Производство азотной кислоты (V) включает в себя несколько последовательных этапов. Первый из них — сжигание аммиака в кислороде с образованием оксида азота (II) и воды. Для повышения эффективности этого процесса его проводят с помощью катализатора, представляющего собой платино-родиевый сплав (93 % Pt и 7 % Rh). Из этого сплава изготавливаются проволоки, из которых плетутся специальные сетки. Две или три сетки помещаются в реактор перпендикулярно направлению потока реагирующих между собой газов. Однако этот метод имеет ряд ограничений. Движущиеся газы вызывают трение о серу, что приводит к их разрушению и уносу платины. Эти потери особенно заметны в зоне окисления, где имеется повышенное давление и высокая температура. Кроме того, платиновые сетки относительно чувствительны к отравлению, вызванному недостаточной очисткой реагирующих газов от таких примесей, как сера. При каталитическом окислении аммиака в качестве побочного продукта образуется закись азота. В настоящее время на рынке предлагаются решения, позволяющие снизить ее выбросы. Для этого вблизи сеток из сплава Pt-Rh применяется оксидный катализатор на основе алюминатов для высокотемпературного разложения закиси азота в нитрозных газах. Характерной особенностью этого катализатора является высокая селективность разложения по отношению к N₂O.

Окисление SO₂ до SO₃

Одним из важнейших этапов промышленного производства серной кислоты (VI) является окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI). Этот процесс осуществляется контактным методом. Катализатором реакции окисления могут быть многие вещества. Они в разной степени ускоряют реакцию. Экспериментально доказано, что наибольшая эффективность достигается при применении для этой цели ванадиевых катализаторов. Они состоят из оксида ванадия (V), который осаждается на носителе (чаще всего на кремнеземе). Кроме того, в его состав входят активаторы (оксид натрия или калия) и другие добавки, влияющие, в частности, на его стойкость при высоких температурах. Количество оксида ванадия (V) в катализаторе варьируется от 5 % до 7 % по массе. Наибольшей эффективности он достигает при относительно высоких температурах. Ванадиевый катализатор имеет на своей поверхности активные участки, на которых адсорбируются молекулы O₂ и SO₂. Там происходят их реакции с последующей десорбцией образовавшихся продуктов. Недостаточная чистота вводимых в реактор субстратов может привести к отравлению катализатора, т. е. дезактивации его активных участков. К ядам в этом случае относятся хлор, фтор и мышьяк.

Производство аммиака

Еще одним каталитическим процессом в химической промышленности является синтез аммиака. Сам процесс протекает настолько медленно, что необходимо применять соответствующие контакты. В этом случае наиболее благоприятным катализатором является железо, активированное небольшим количеством оксида алюминия и оксида калия. Оно образуется путем сжигания железа в кислороде и последующего плавления полученного Fe₃O₄ с Al₂O₃ и K₂O. Сплав в виде гранул (чаще всего) представляет собой готовый катализатор. Как и в других процессах, действие железного катализатора при синтезе аммиака заключается в поглощении водорода и азота на активных участках и десорбции образовавшихся продуктов. Соединения, разрушающие железный контакт, представлены в основном серой, углекислым газом и водяным паром.