ЧАСТЬ И

ОБЩАЯ ХИМИЯ

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ И ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИХ ТЕЧЕНИЯ

Катализ и катализаторы

Существуют вещества, которые способны одним своим присутствием в реактивной смеси менять скорость химической реакции. Причем эти вещества в ходе реакции сами не меняются. Такие вещества называют катализаторами, а само явление изменения скорости реакции в присутствии вещества, которое после реакции остается неизменной,- катализом.

Чаще всего катализаторы используют для ускорения скорости реакции. Такой катализ называют положительным. Например, в присутствии соединений Купруму, Железа, Никеля, Марганца или Хрома реакция разложения гидроген пероксида происходит значительно быстрее. Обычно действие катализаторов является достаточно избирательным, то есть для каждой реакции используют катализатор, что лучше всего подходит для определенной реакции.

Под действием катализаторов скорость реакции может и замедляться. Такое действие называют отрицательным катализом, а катализаторы - «ингибиторами». Ингибиторы используют для того, чтобы замедлить скорость нежелательных реакций, например для улучшения сохранности при длительном хранении неустойчивых веществ (реактивов, лекарств и т.д.).

Механизм действия катализаторов

Хотя катализатор не расходуется в процессе реакции, он участвует в реакции как реагент, но одновременно происходит другая реакция, в результате которой он образуется снова.

Рассмотрим поведение катализатора на примере реакции сернистого газа с кислородом:

При любых температурах и давлениях она происходит с маленькой скоростью и не доходит до конца. Для этой реакции используют различные катализаторы, в частности нитроген(II) оксид. Это соединение быстро вступает в реакцию с кислородом:

Нитроген(ИV) оксид, который образуется, сразу же реагирует с сульфур (IV) оксидом:

В результате этой реакции выделяется азот монооксид, то есть происходит восстановление катализатора.

Катализатор не записывают в химическом уравнении как реагент или продукт реакции, а отмечают над стрелкой или над знаком равенства:

Механизмы большинству химических превращений с участием катализаторов еще не исследованы. Эти исследования усложняются вследствие больших скоростей реакций и неустойчивости промежуточных соединений. Над проблемой поиска катализаторов для различных реакций работают многочисленные научные лаборатории. Ученые пока не создали теории, которая бы позволяла угадывать вещества, которые могут катализировать ту или иную реакцию.

Иногда замена катализатора приводит к изменению продуктов химической реакции. Так, в присутствии алюминий оксида спирт разлагается на этилен и воду:

а в присутствии меди - на уксусный альдегид и водород:

Катализаторы имеют большое значение для современной промышленности, техники и технологии. С их участием осуществляют около 90 % химических превращений. Например, реакция азота с водородом, в результате которой образуется аммиак NH₃, реакции, происходящие при переработке нефти. Процесс гидролиза крахмала для добывания сахаров проводят в присутствии кислот (катализатором реакции являются катионы Водорода Н⁺). Многие химические реакции без катализаторов были бы невозможными или происходили бы при очень высоких температурах. Катализаторы широко используют в транспорте, где работают двигатели внутреннего сгорания. Эти вещества содержатся в специальных патронах, которые присоединяют к выхлопных труб. Благодаря каталізаторам угарный газ (продукт неполного сгорания бензина), реагируя с кислородом, превращается в безопасный углекислый газ.

Все химические процессы в живом организме происходят с участием катализаторов. Эти вещества называют ферментами. В организме насчитывают несколько тысяч ферментов, и каждый из них катализирует «свою» реакцию.