Каталитические реакции

Каталитическая реакция происходит с более высокой скоростью при введении вещества – катализатора.

Катализатор – химическое соединение, обладающее замечательным качеством. Катализатор участвует в химических превращениях и увеличивает скорость реакции, но после завершения процесса остается в неизменном состоянии и количестве.

В человеческом организме насчитывается несколько тысяч белков – катализаторов (ферментов). Каждый из них катализирует определенную химическую реакцию. Заметим, что при температуре 36.6 – 37.0 ⁰С в человеческом организме протекает с высокой скоростью громадное количество каталитических реакций. Ни один химический реактор, созданный руками человека, не обладает такой уникальностью.

Различают гомогенные и гетерогенные химические реакции. В первом случае реагенты и катализатор находятся в одной фазе. Так осуществляются реакции в растворах. Во втором случае реагенты находятся в жидкой или газовой фазе, а катализатор – твердое вещество.

Рассмотрим гомогенную каталитическую реакцию. Основная причина ускорения химической реакции в присутствии катализатора состоит в том, что он снижает энергию активации реакции (рис. 54).

 

Рис. 54. Энергетический профиль реагирующей системы; Е – активационный барьер; D Н_r – энтальпия химической реакции

 

Сравним последовательность превращений без катализатора и с участием катализатора.

Реакция в отсутствии катализатора:

А + ВС ® АВ + С

Каталитическая реакция (К – катализатор ) может идти в несколько стадий, например

А + К ⇄ АК

АК+ ВС ® АВ+ С + К.

За быстрой обратимой реакцией А + К ⇄ АК следует медленная, реакция АК+ ВС ® АВ+ С + К, ограничивающая скорость всего процесса.

Запишем скорости элементарных стадий каталитической реакции

1) А + К ® АК,

.

2) АК ® А + К,

.

3) АК+ ВС ® АВ+ С + К,

.

Энергия активации (Е) некаталитической реакции (рис. 53) существенно выше энергий активации каталитических реакций (рис. 54). Это обстоятельство объясняет высокую скорость каталитической реакции по сравнению с некаталитической.

Лимитирующей стадией каталитической реакции является реакция (3):

АК+ ВС ® АВ+ С + К,

u ₃= k ₃× с_АК × с_ВС. (5.5)

В установившемся стационарном каталитическом процессе скорость образования и расходования промежуточного комплекса АК не меняется

k ₁ с_Ас_К – k ₂ с_АК – k ₃ с_АКс_ВС = 0,

. (5.6)

Концентрацию комплекса с_АК из уравнения (5.6) подставим в уравнение (5.5):

(5.7)

Возможны два предельных варианта течения каталитического процесса. Если скорость разложения промежуточного продукта АК во много раз больше скорости каталитического образования продуктов АВ и С, т.е. k ₂ > > k ₃ с_ВС, то уравнение (5.7) примет вид:

.

Примем во внимание, что концентрация катализатора есть величина постоянная, тогда скорость реакции выразится уравнением

, где .

Если скорость разложения промежуточного продукта АК во много раз меньше скорости каталитического образования продуктов АВ и С, т.е. k ₂ < < k ₃ с_ВС, то уравнение (5.7) примет вид:

или

u = kc_A, где k = k ₁ c_K.

Полученные уравнения демонстрируют, каким образом скорость реакции зависит от концентрации катализатора.