Каталіз

Зазвичай під терміном каталіз розуміють явище, коли в присутності каталізатора відбувається «позитивний каталіз», тобто збільшення швидкості реакції.

Явище прискорення певною речовиною (каталізатором) хімічної реакції відбувається за рахунок зменшення вільної енергії перехідного стану (у випадку складної реакції — найвищого перехідного стану), причому хімічна рівновага в реагуючій системі не зміщується. Оскільки змінюються швидкості прямої та зворотної реакцій, то змінюється лише швидкість досягнення рівноваги. У випадках, коли пряму й зворотну реакцію каталізують різні частинки, може спостерігатись позірне зміщення рівноваги, що фактично пов'язане зі зміною активностей компонентів.

Каталізатор може багаторазово брати участь у хімічних взаємодіях, у кількості набагато меншій за кількість реагуючих речовин. Також застосовуються речовини, що сповільнюють хід реакції — інгібітори або антикаталізатори.

Бродильні бочки у винному сховищі компанії «Croft Port» (2009)

Людство використовувало каталіз з давніх-давен, не знаючи про це. Бродіння, як один з прикладів каталізу, застосовувалося при варінні пива, виготовленні вина та сирів. Пізніше здатність лугів каталізувати гідроліз естерів застосовували у процесі виготовлення паперу. В середині XVIII століття в Англії було відкрито перше хімічне виробництво, яке базувалося на гомогенній каталітичній реакції, — окисненні оксиду сірки в присутності оксидів азоту.

У березні 1835 року хімік Єнс Якоб Берцеліус подав до Шведської академії наук статтю, в якій він доповідав про спостереження за сполуками, що впливають на розклад речовин та утворення нових, причому самі вони залишаються незмінними. У статті Берцеліус наводив уривки робіт європейських вчених: Кірхгоффа (1812), Деві (1817), Деберайнера (1822), дослідження яких були тісно пов'язані з процесами каталізу. Саме Берцеліус назвав описані явища каталізом.

До кінця XIX століття вважалося, що каталізатор ініціює перебіг реакцій. Вільгельм Оствальд був першим, хто зрозумів, чому за його відсутності реакція не відбувається: це не тому, що вона взагалі не відбувалася, а тому, що її швидкість є надто малою для експериментального виявлення. Після робіт Оствальда теорія каталізу набула сучасних рис.

Теорії каталізу, створені в різні часи розвитку науки, умовно поділяють на три основні групи:

• фізичні теорії каталізу
  • адсорбційні теорії (Майкл Фарадей, Майкл Полані)
• хімічні теорії каталізу
  • теорії проміжних сполук (Поль Сабатьє, Георгій Боресков)
• узагальнені теорії каталізу
  • теорія активованої адсорбції (Ірвінг Ленгмюр, Г'ю Тейлор)
  • мультиплетна теорія (Микола Зелінський)
  • електронна теорія (Лев Писаржевский, Федір Волькенштейн)
  • ланцюгова теорія (Микола Семенов, Владислав Воєводський)
  • теорія абсолютних швидкостей реакції
  • теорія активованого комплексу (Генрі Ейрінг, Майкл Полані)
  • теорія агравації (Микола Кобозєв)
  • теорія активних центрів (Г'ю Тейлор)

Одна каталізована реакція замінюється кількома проміжними, з меншим енергетичним ефектом

Суть каталізу полягає у прискоренні досягнення рівноваги хімічної реакції шляхом введення проміжних взаємодій за участю каталізатора:

${\displaystyle \mathrm {A+Kat\rightarrow AKat\!} }$

${\displaystyle \mathrm {AKat+B\rightarrow AB+Kat\!} }$

Таким чином, реакція протікає через ряд елементарних стадій, які в сукупності мають нижчу енергію активації, аніж пряма реакція без каталізатору. Навіть незначний виграш у різниці енергій активації за даних умов дозволяє суттєво збільшити швидкість реакції. Ця залежність описується експоненційним рівнянням Арреніуса:

${\displaystyle k=Ae^{{-E_{a}}/{RT}}}$, де

${\displaystyle k}$ — швидкість реакції

${\displaystyle A}$ — передекспоненційний множник, який мало залежить від температури

${\displaystyle E_{A}}$ — енергія активацї (Дж/моль)

${\displaystyle R}$ — універсальна газова константа (Дж/(К моль))

${\displaystyle T}$ — абсолютна температура (К)

Каталізатор може додаватися в систему окремо або ж утворюватися в ході взаємодії — такий випадок називають автокаталізом. Наприклад, при окисненні щавелевої кислоти розчином солі перманганату утворюються іони Mn²⁺, які виступають каталізатором реакції:

${\displaystyle \mathrm {2MnO_{4}^{-}+5C_{2}O_{4}^{2-}+16H^{+}\rightarrow 2Mn^{2+}+10CO_{2}+8H_{2}O\!} }$

За принципом фазового стану реагентів та каталізаторів розрізняють такі типи каталізу:

• гомогенний — каталізатор та реагенти знаходяться в одній фазі
  • газофазний
  • рідиннофазний
• гетерогенний — каталізатор та реагенти знаходяться в різних фазах
  • каталіз рідкими каталізаторами, які збільшують швидкість взаємодії між рідинами та газами або між рідинами, що не змішуються
  • каталіз твердими каталізаторами, які прискорюють взаємодії між рідкими та газоподібними речовинами
• мікрогетерогенний — процеси відбуваються у рідкій фазі за участі колоїдних часток металів в ролі каталізатора
• ферментативний — процеси у біологічних системах за участі білкових сполук — ферментів.

Інститут каталізу імені Борескова (Новосибірськ, Росія)

В Україні провідною установою, де ведуться дослідження каталізу, є Інститут фізичної хімії імені Л. В. Писаржевського. Наукові розробки здійснюються на базі двох підрозділів: відділу каталітичних синтезів на основі одновуглецевих молекул та відділу каталітичних окисно-відновних процесів.

За межами України широко відомі:

• Інститут каталізу імені Лейбніца (Росток, Німеччина)[13]
• Центральний інститут досліджень каталізу Мюнхенського технічного університету (Німеччина)[14]
• Нідерландський інститут каталітичних досліджень (Гаага)[15]
• Інститут каталізу імені Борескова Російської академії наук (Новосибірськ)[16]

З 1994 року Інститутом біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України видається збірник наукових праць «Каталіз та нафтохімія».

• Термін «каталіз» трапляється ще задовго до введення його Берцеліусом — у роботі німецького алхіміка Андреаса Лібавія «Алхімія» (1597), але там він мав значення «розчинення, звільнення» (відповідно до початкового значення грецького слова κατάλυσις).

• Енергія активації
• Каталізатор
• Інгібітор
• Псевдокаталіз
• Автокаталіз

• Ковтун Г. Невичерпні можливості каталізу // Вісник Національної академії наук України. — 2005. — Вип. 3. — С. 72—76. — ISSN 0372-6436.
• Гончаров А. І., Середа І. П. Хімічна технологія. — К. : Вища школа, 1979. — Т. 1. — 288 с.
• Колесников И. М. Катализ и производство катализаторов. — М.: Техника, 2004. — 399 с.
• Глосарій термінів з хімії // Й.Опейда, О.Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л.М.Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с. — ISBN 978-966-335-206-0
• Соколов Р. С. Химическая технология. — М. : ВЛАДОС, 2000. — Т. 1. — 368 с. — ISBN 5-691-00355-0.
• Science Aid: Catalysts Page for high school level science
• W.A. Herrmann Technische Universität presentation
• Alumite Catalyst, Kameyama-Sakurai Laboratory, Japan
• Inorganic Chemistry and Catalysis Group, Utrecht University, The Netherlands

• Каталіз //ЕСУ

• Каталіз в хімії та технології : підруч. для студентів спец. 161 "Хімічні технології та інженерія" ВНЗ / Піх З. Г., Мельник Ю. Р., Мельник С. Р. ; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Львів : Бадікова Н. О., 2016. - 285 с. : рис., табл. - Бібліогр.: с. 285. - ISBN 978-617-7193-78-3
• Каталіз. Теоретичні основи та практичне використання : навч. посіб. для студ. спец. 7.09.16.02 "Хімічна технологія органічних речовин" / В. М. Жизневський, З. Г. Піх ; Ін-т змісту і методів навчання. - К. : [б.в.], 1997. - 191 с. - ISBN 5-7763-9006-0
• Міцелярний каталіз в технології бетонів нового покоління / О. О. Шишкіна. — Кривий Ріг (Дніпропетров. обл.) : КНУ, 2017. — 300 с. : іл., табл. — Бібліогр.: с. 271—298 (239 назв). — ISBN 978-617-132-040-5
• Промисловий каталіз у нафтопереробці та технології органічних продуктів : монографія / В. М. Жизневський, В. В. Гуменецький ; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Л. : Вид-во Львів. політехніки, 2010. - 269 с. : рис., табл. - Бібліогр.: с. 263. - ISBN 978-966-553-952-0