Гетерогенный катализ. 
Теория катализа

Реакция происходит на поверхности раздела фаз, причём обычно катализатор представляет собой твердое тело, а субстрат-жидкость или газ. Этот катализ удобен тем, что катализатор с реагентами и не возникает проблемы отделения его от продуктов реакции.

При гетерогенном катализе ускорение процесса обычно происходит на поверхности твердого тела — катализатора, поэтому активность катализатора зависит от величины и свойств его поверхности. На практике катализатор обычно наносят на твердый пористый носитель.

Механизм гетерогенного катализа сложнее, чем у гомогенного. Механизм гетерогенного катализа включает пять стадий, причем все они обратимы.

• 1. Диффузия реагирующих веществ к поверхности твердого вещества
• 2. Физическая адсорбция на активных центрах поверхности твердого вещества реагирующих молекул и затем хемосорбция их
• 3. Химическая реакция между реагирующими молекулами
• 4. Десорбция продуктов с поверхности катализатора
• 5. Диффузия продукта с поверхности катализатора в общий поток

Примером гетерогенного катализа является окисление SO2 в SO3 на катализаторе V2O5 при производстве серной кислоты (контактный метод).

Течение реакции именно на поверхности катализатора можно продемонстрировать на опыте, в котором пластинку из платины нагревают в пламени газовой горелки, затем пламя тушат и пускают на пластинку струю газа из горелки, при этом пластинка снова раскаляется докрасна — окисление метана происходит на поверхности металла Механизмом гомогенного катализа предложена теория промежуточных соединений. Сущность этой теории заключается в том, что если медленно протекающую реакцию, А + В = АВ вести в присутствии катализатора К, то катализатор вступает в химическое взаимодействие с одним из исходных веществ, образуя непрочное промежуточное соединение: А + К = АК. Реакция протекает быстро, т. е. энергия активации этого процесса мала. Затем промежуточное соединение АК взаимодействует с другим исходным веществом, при этом катализатор освобождается: АК + В = АВ + К. Энергия активации этого процесса также мала, а поэтому реакция протекает с достаточной скоростью. Именно с помощью этой теории объясняется образование серного ангидрида в присутствии катализатора NO по реакции:

катализ химический реакция.

2SO2 + O2 2SO3.

или образование хлористого аммония в присутствии паров воды:

NH3 + HCl NH4Cl.

Некоторые реакции могут катализироваться кислотами и основаниями. Согласно протонной теории кислот и оснований кислота — это соединение, способное отщеплять протон, основание — вещество, способное присоединять протон. В ходе катализа происходит перераспределение электронов в молекуле субстрата, возникают промежуточные соединения с повышенной активностью (карбониевые ионы, карбоанионы, полярные комплексы). При этом снижается энергия активации и ускоряется реакция.

Кислотно-основной катализ обязательно включает стадию переноса протона от одной молекулы к другой. В реакционной системе должны быть доноры и акцепторы. Если кислоту обозначить НА, субстрат НХ, В и Аоснования, НХН+ и Х- - ионизированные формы субстрата, ХН — продукты реакции, то катализ можно записать следующим образом:

катализ кислотой:

HX + HA? HXH+ + A;

B + HXH+? BH+ + XH.

BH+ + A-? B + HA.

катализ основанием: B + HX? BH+ + X;

X- + HA? XH + A;

BH+ + A-? B + HA.

Гомогенных каталитических реакций в растворах, ускоряемых ионами гидроксида и водорода, довольно много. К реакциям этого типа относятся реакции этерификации, инверсия сахаров, омыление сложных эфиров и др.

Омыление сложных эфиров катализируется как кислотой, так и щелочью. В последнем случае оно протекает по уравнению 2-ого порядка и может быть описано уравнением:

CH3COOC2H5 + OH- ® CH3COO- + C2H5OH.

В основе объяснения механизма гетерогенного катализа лежит адсорбционная теория катализа. Согласно этой теории молекулы реагирующих веществ адсорбируются поверхностью катализатора, ее так называемыми активными центрами. В результате на поверхности катализатора создается повышенная концентрация этих веществ; это отчасти также приводит к ускорению реакции. Но главной причиной возрастания скорости реакции является снижение энергии активации вследствие образования поверхностных промежуточных соединений.