Міністерство охорони здоров'я України Вінницький національний медичний університет ім.М.І.Пирогова ФІЗИЧНА І КОЛОЇДНА ХІМІЯ Конспект лекцій для студентів 2-го курсу денного відділення фармацевтичного факультету 10. КАТАЛІЗ м. Вінниця, 2004 р. 1 Каталіз – складне явище, тому важко дати йому стисле та точне визначення. Найбільш повне визначення дано відомим дослідником каталітичних процесів А.А. Баландіним (1898–1967): “каталіз – вплив речовини на реакцію, який вибірково змінює її кінетику, але зберігає її стехіометрію і термодинамічні умови. Цей вплив полягає в заміні одних елементарних процесів іншими, циклічними, в яких приймає участь ця речовина. Каталізатор в кінцевому результаті в ході реакції не змінюється та не зсуває рівновагу ”. Слово “речовина” виділено, тому що вплив світла або частинок з великою енергією також прискорює реакцію, але відбувається за іншими законами і не є каталізом. Не вважають каталізом і вплив розчинника на швидкість перетворення – вважають, що кількість каталізатора має бути набагато менше кількості реагентів. Але в деяких випадках розчинник потрібен для формування власне каталізатора. Так родієвий комплекс RhCl(PPh3)3 стає активним в гідруванні лише після заміщення одного трифенілфосфінового ліганда молекулою розчинника – бензола. В наведеному визначенні звернемо увагу на слова: “Каталізатор в кінцевому результаті в ході реакції не змінюється”. Це належить розуміти, що каталізатор приймає участь лише в утворенні проміжної сполуки і не входить до складу будь-якого продукту. Але він може змінюватися внаслідок фізичних процесів, які супроводжують реакцію. Каталітичні реакції дуже поширені в природі. Швидкість всіх біохімічних процесів регулюється біологічними каталізаторами — ферментами. Більшість хімічних виробництв також використовують каталітичні процеси. Зокрема до них відносяться виробництво сірчаної кислоти, синтез аміаку, окислення аміаку до азотної кислоти, реакції гідрогенізації, полімеризації і т. д. каталізатори застосовують у виробництві лікарських речовин: фенацетину, гваяколу, аміназину, галогенопохідних ароматичних сполук та ін. За фазовою ознакою розрізняють гомогенний каталіз – реакції в газах і розчинах, коли каталізатор і реагенти утворюють одну фазу гетерогенний каталіз – реакції на межі поділу фаз (звичайно, ще система тверде тіло – газ), принципова відмінність якого від гомогенного полягає в тому, що стадії перетворення передує адсорбція, а властивості каталітично активних ділянок залежать від властивостей поверхні твердого тіла микрогетерогенний каталіз – каталіз ферментами і колоїдами. Особливість мікрогетерогенного каталізу полягає в тому, що реакційна система є розчином, але розміри молекул реагентів набагато менше розмірів макромолекул каталізатора і має місце адсорбція як в гетерогенних системах. Активність каталізаторів часто визначають числом обертів. Для гомогенніх систем це швидкість каталітичної реакції, віднесена до концентрації каталізатора Лекція 10. Каталіз 2 nk r k а для гетерогенних – до числа центрів на одиниці поверхні (а оскільки кількість активних центрів визначити важко, то просто до одиниці поверхні) каталізатора. В гомогенному каталізі ця величина приблизно дорівнює одиниці або менше, в комплексному і гетерогенному – до 104 , а в ферментативному – до 105. Швидкість реакції за наявності каталізатора дорівнює сумі швидкостей каталітичної и некаталітичної стадій. Оскільки швидкість останньої звичайно суттєво менше, тому її не враховують. ХАРАКТЕРНІ ОСОБЛИВОСТІ КАТАЛІЗАТОРІВ Каталізатори мають ряд загальних характерних особливостей: 1. Каталізатор не впливає на загальну стехіометрію реакції, він бере хімічну участь у процесі, витрачається на одній стадії і регенерується на іншій. 2. Каталізатор зменшує енергію активації реакції, завдяки чому збільшується її швидкість k Ae−Ea /(RT ) . 3. Каталізатор не впливає на константу рівноваги, він тільки скорочує час досягнення рівноваги, однаково збільшуючи швидкість прямої та зворотної реак...