Principii generale de cataliză

Cataliza este un fenomen al modificării ratei unei reacții chimice în prezența substanțelor, a căror stare și cantitate rămân neschimbate după reacție. Distingeți între cataliză pozitivă și negativă (în mod corespunzător, o creștere și o scădere a ratei de reacție), deși adesea termenul de "cataliză" înseamnă doar o cataliză pozitivă; cataliza negativă se numește inhibare. O substanță care intră în structura unui complex activat, dar stoichiometric nu este un reactiv se numește un catalizator. Pentru toți catalizatorii, caracteristicile generale precum specificitatea și selectivitatea acțiunii sunt caracteristice. Specificitatea catalizatorului constă în capacitatea sa de a accelera doar o singură reacție sau grup de reacții similare și de a nu afecta rata altor reacții. De exemplu, multe metale de tranziție (platină, cupru, nichel, fier, etc.) sunt catalizatori pentru procesele de hidrogenare; Alumina catalizează reacțiile de hidratare etc. Selectivitatea catalizatorului este capacitatea de a accelera una dintre reacțiile paralele posibile în condiții date. Motivul creșterii ratei de reacție cu cataliză pozitivă este o scădere a energiei de activare pe parcursul reacției prin intermediul complexului activat cu participarea catalizatorului. Deoarece, conform ecuației Arrhenius, constanta vitezei unei reacții chimice este dependentă exponențial de energia de activare, o scădere a acesteia determină o creștere semnificativă a constantei ratei. Într-adevăr, dacă presupunem că factorii pre-exponențiali din ecuația Arrhenius (II.32) pentru reacțiile catalitice și necatalitice sunt apropiați, atunci pentru raportul dintre constantele de rată putem scrie: (II.44)







În cazul în care EA = -50 kJ / mol, atunci raportul dintre constantele de viteză va fi de 2,7 × 10 6 ori (într-adevăr, în practică, această scădere a EA mărește rata de reacție cu aproximativ 10 ori). Trebuie remarcat faptul că prezența unui catalizator nu afectează amploarea schimbării potențialului termodinamic ca urmare a procesului și, în consecință, nici un catalizator nu poate face posibil fluxul spontan al unui proces (procedeu, G (# 916; F) care este mai mare decât zero). Catalizatorul nu modifică valoarea constantei de echilibru pentru reacțiile reversibile; Efectul catalizatorului în acest caz este doar de a accelera atingerea stării de echilibru. În funcție de starea de fază a reactanților și a catalizatorului, se disting o cataliză omogenă și eterogenă.







Fig. Diagrama energetică a unei reacții chimice fără catalizator (1)
și în prezența unui catalizator (2).

Homogeneous catalysis. Cataliza omogenă este o reacție catalitică în care reactivii și catalizatorul sunt în aceeași fază. În cazul proceselor catalitice omogene, catalizatorul formează produse reactive intermediare cu reactanții. Luați în considerare o anumită reacție

În prezența catalizatorului, se efectuează două etape cu curgere rapidă care au ca rezultat formarea particulelor intermediarului AA și apoi (prin complexul activat ABK #) produsul final de reacție cu regenerarea catalizatorului:

Un exemplu de astfel de procedeu este reacția de descompunere a acetaldehidei, a cărei energie de activare este EA = 190 kJ / mol:

În prezența vaporilor de iod, acest proces are loc în două etape:

Scăderea energiei de activare a acestei reacții în prezența catalizatorului este de 54 kJ / mol; constanta de viteză a reacției crește cu aproximativ 105 ori. Cel mai frecvent tip de cataliză omogenă este cataliza acidă, în care ionii de hidrogen H + acționează ca un catalizator.

Cataliză heterogenă. Cataliză heterogenă - reacții catalitice care apar la interfața fazelor formate de catalizator și substanțe de reacție. Mecanismul proceselor catalitice eterogene este mult mai complicat decât în ​​cazul unei catalizări omogene. În fiecare reacție catalitică eterogenă, se pot distinge cel puțin șase etape:

1. Difuzia materiilor prime pe suprafața catalizatorului.

2. Adsorbția materiilor prime pe suprafață cu formarea unui compus intermediar:

3. Activarea stării adsorbite (energia necesară pentru aceasta este energia adevărată de activare a procesului): AVK -> AVK #

4. Degradarea complexului activat pentru a forma produse de reacție adsorbite: ABK # -> CDC

5. Desorbția produselor de reacție de pe suprafața catalizatorului. CDK -> C + D + K

6. Difuzia produselor de reacție de pe suprafața catalizatorului.







Articole similare

Trimiteți-le prietenilor: