§ 44. Загальні відомості про гомогенний і гетерогенний каталіз

У цьому параграфі ви дізнаєтеся:

що таке каталіз;
що таке позитивні і негативні каталізатори;
чим гетерогенний каталіз відрізняється від гомогенного.

Що таке каталіз. Багато реакцій відбуваються дуже повільно, якщо просто змішати реагенти, але їх можна значно прискорити введенням деяких інших речовин — каталізаторів. Це речовини, що змінюють швидкість хімічної реакції та не витрачаються під час її перебігу.

Каталіз — це зміна швидкості хімічної реакції за наявності певних речовин — каталізаторів.

Позитивні каталізатори прискорюють реакцію, негативні каталізатори, або інгібітори, уповільнюють реакцію.

Інгібітори широко використовують під час хімічного очищення парових котлів від накипу, для зняття окалини з відпрацьованих виробів, а також під час зберігання та транспортування хлоридної кислоти в сталевій тарі. Вони захищають метал від роз’їдання (корозії) кислотою. Інгібіторами корозії служать як органічні речовини, так і неорганічні (силікати, нітрити, дихромати лужних елементів).

Каталізатори поділяють на гомогенні і гетерогенні.

Гомогенний каталіз. Гомогенні каталізатори перебувають у тому самому агрегатному стані, що й реагенти та продукти реакції, тобто в одній фазі (газуватій або рідкій). У такому разі немає поверхні поділу між реагентами й каталізатором.

Формули каталізаторів не записують в рівнянні реакції. Яким же чином вони впливають на швидкість хімічної реакції? Механізм дії каталізаторів різний.

Гомогенний каталіз найчастіше здійснюється внаслідок утворення нестійких проміжних продуктів. Каталізатор багаторазово бере участь у проміжній взаємодії реагентів, але після кожного циклу відновлює свій хімічний склад.

Каталізатор К має легко вступати у взаємодію з однією з реагуючих речовин, наприклад з А:

А + К → АК

Як наслідок проміжна сполука АК має легко взаємодіяти з другою речовиною В з утворенням кінцевої сполуки АВ і вільного каталізатора К:

АК + В → АВ + К

Таким чином, каталізатор К набуває свого початкового складу з одночасним утворенням сполуки АВ.

Прикладом такого типу реакцій є реакція окиснення сульфур(ІV) оксиду до сульфур(VІ) оксиду за наявності нітроген(ІІ) оксиду як каталізатора:

У разі відсутності останнього ця реакція не відбувається.

Механізм цієї реакції описують через утворення нестійкого проміжного продукту ΝΟ₂:

2ΝΟ + О₂ = 2ΝΟ₂

SO₂+ NO₂ = SO₃ + NO

Як бачимо, по закінченні реакції склад каталізатора NO не змінюється, його молекули знову беруть участь у каталізі.

Гетерогенний каталіз. Гетерогенні каталізатори (як правило, тверді речовини) перебувають в іншій фазі, ніж реагенти та продукти реакції (газуваті або рідкі):

Механізм гетерогенного каталізу зумовлений властивістю речовини (твердої або рідкої) поглинати поверхневим шаром інші речовини з розчину або газової суміші. При цьому речовина, яка поглинається поверхнею каталізатора, не проникає в його глибину.

Як правило, прагнуть одержати твердий каталізатор з максимально великою поверхнею. Реагуючі речовини швидко поглинаються саме такою поверхнею. У результаті збільшується кількість активних молекул, тобто таких, у яких послаблюється міцність хімічних зв’язків та відбувається їх подальший перерозподіл. Як наслідок утворюються продукти каталітичної реакції, що надалі видаляються з поверхні каталітора.

Основні поняття. Гомогенний каталіз. Гетерогенний каталіз.

Запитання та завдання

°1. Що називають каталізом?

°2. Які каталізатори називають позитивними, а які — негативними ?

3. Чим гетерогенний каталіз відрізняється від гомогенного?

4. Як площа поверхні гетерогенного каталізатора може впливати на швидкість каталітичної реакції?

5. Роль каталізатора полягає у збільшенні чи зменшенні енергії молекул реагуючих речовин?

6. Чи взаємодіє каталізатор з реагентами та в чому полягає ця взаємодія?

7. Чому формулу каталізатора не записують у рівнянні хімічної реакції, хоча його склад відомий?

8. Наведіть приклади реакцій, які відбуваються з використанням каталізаторів: а) гомогенного; б) гетерогенного.

9. Каталізатори змінюють швидкість хімічних реакцій, тому що змінюється: