Химическая кинетика

2.2.2. Гомогенный катализ


Гомогенным катализом называется такой тип каталитических реакций, при котором катализатор находится в той же фазе, в которой протекает реакция. В большинстве случаев катализатор участвует в образовании каждой молекулы продукта. При этом химические реакции с участием катализатора протекают циклически, таким образом, что молекула катализатора в конце цикла возвращается к своей исходной форме. Следовательно, кажется, что катализатор вообще не расходуется в ходе процесса. Следует заметить, что достаточно широко распространены и такие реакции, в которых катализатор расходуется или накапливается.
Основными достоинствами гомогенного катализа являются его высокая эффективность: каждая молекула катализатора доступна для реагентов (в отличие от гетерогенного катализа, где работает только поверхность раздела); простота конструкций аппаратов для гомогенно-каталитических процессов, отсутствие местных перегревов и др. Недостатки же обусловлены в основном трудностью отделения катализатора от реакционной массы и связанными с этим потерями катализатора и загрязнением им целевых продуктов.
Катализаторами гомогенных реакций могут быть вещества с разными химическими свойствами, поэтому и катализ может осуществляться по различным схемам. Эти схемы классифицируют по-разному, например, достаточно распространено подразделение явлений катализа на такие типы:

• 
  нуклеофильный;
  
• 
  кислотно-основный и электрофильный;
  
• 
  металлокомплексный.
  

Основной принцип действия любого катализатора независимо от схемы катализа сводится к снижению энергетического барьера наиболее медленной стадии реакции, т.е. к уменьшению энергии активации процесса и тем самым к ускорению процесса. Обычный путь снижения энергетического барьера – это образование активного промежуточного комплекса катализатора с одним из реагентов и последующее взаимодействие комплекса с другим реагентом. В результате образуются конечные продукты и регенерируется исходная форма катализатора. Также возможен вариант изомеризации реагента в комплексе с катализатором, и затем распад комплекса с образованием продукта (изомера) и свободного катализатора. Фактически одна реакция с высокой энергией активации заменяется на ряд последовательных реакций с более низкой Е_а.
Пусть протекает реакция A + Y  B + Z в присутствии катализатора К. Проиллюстрируем ее ход энергетической диаграммой (рис. 6). На этой диаграмме пунктирная кривая показывает энергетический барьер реакции, идущей в отсутствие катализатора (Е_а). В присутствии катализатора сначала образуется промежуточный комплекс АК*, энергия активации этого процесса Е_а1 меньше, чем Е_а, а затем комплекс, реагируя с Y, образует продукты, также проходя незначительный энергетический барьер Е_а2.

Рис. 6. Энергетическая диаграмма некаталитической (- - - -) и каталитической (—) реакций

Следует заметить, что катализатор только ускоряет реакции, не влияя на их термодинамику. Добавление катализатора в систему не смещает положение равновесия обратимых реакций и, тем более, не позволяет осуществиться реакциям, термодинамически невозможным в данных условиях.