1.10   Kataliza

Zwiększenie szybkości reakcji można osiągnąć przez:

-  zwiększenie stężeń reagentów

-  zwiększenie stałej szybkości k (poprzez zwiększenie temperatury)

Możliwość zwiększenia stężeń i ciśnienia - jest w praktyce ograniczona np. rozpuszczalnością reagentów, wytrzymałością aparatury.

 Podwyższenie temperatury zwiększa szybkość reakcji, ale w reakcjach egzotermicznych obniża wydajność.

Już w XIX wieku zauważono, że pewne substancje obecne w układzie reagującym mogą wpływać na przebieg reakcji choć same w wyniku jej nie ulegają przemianom chemicznym. Reakcje zachodzące pod wpływem takich substancji nazywano reakcjami katalitycznymi.

Katalizatorem danej reakcji nazywamy substancję, która wprowadzona do układu reagującego zwiększa szybkość tej reakcji a sama nie ulega przemianom chemicznym w ostatecznym wyniku reakcji.

Przyśpieszenie reakcji przez katalizator polega na zmniejszeniu energii aktywacji w porównaniu z reakcją nie katalityczną. Dla reakcji zachodzącej bez katalizatora:

(10.01)                                    

mamy energię aktywacji E_A. Tą samą reakcję przebiegającą przy udziale katalizatora K można opisać równaniami:

(10.02)                       

 Jeżeli reakcja bez katalizatora wymaga energii aktywacji E_A to w obecności katalizatora K, dwie reakcje wykazują energię aktywacji E₁ i E₂ przy czym każda z nich jest mniejsza od E_A (rys.10.1).

Rys.10.1 Wpływ katalizatora na szybkość reakcji.

Wzrost szybkości reakcji wynika z niższej energii aktywacji kolejnych etapów w porównaniu z energią aktywacji jednoetapowej przemiany bez katalizatora.

Kataliza homogeniczna

Katalizator może stanowić jeden ze składników jednorodnej fazy (gazowej lub ciekłej) w której zachodzi reakcja - mówimy wówczas o katalizie homogenicznej, jednorodnej, jednofazowej.

Przykładem reakcji katalitycznej jednofazowej może być utlenianie  do  w komorowej metodzie produkcji kwasu siarkowego:

(10.03)                                   

Wszystkie składniki reakcji –substraty ( , ), katalizator ( ) oraz produkt są substancjami gazowymi i tworzą układ jednofazowy.

Kataliza heterogeniczna

Jeśli katalizator stanowi odrębną fazę w układzie reagującym to katalizowana reakcja przebiega na granicy faz i wówczas mamy do czynienia z katalizą niejednorodną (heterogeniczną, wielofazową). Najczęściej katalizator jest wtedy ciałem stałym, reakcja zaś przebiega pomiędzy substancjami gazowymi. Np. katalityczne syntezy  prowadzone są przeważnie z udziałem katalizatora stałego (metalu lub tlenku metalu). W tablica 10.1 ujęto przykłady reakcji katalitycznych w układzie heterogenicznym.

Tablica 10.1

Na rys.10.2 przedstawiono mechanizm katalitycznego uwodorniania etylenu C₂H₂ zgodnie z reakcją:

(10.04)                                   

Reakcja przebiega na powierzchni katalizatora w czterech etapach. Pierwszy etap to adsorpcja etylenu i wodoru na powierzchni katalizatora (rys.10.2a). W wyniku oddziaływania z katalizatorem cząsteczka wodoru ulega katalitycznej dysocjacji, której wynikiem jest powstanie dwóch zaadsorbowanych atomów wodoru (rys.10.2b). Następnie atomy wodoru są kolejno podstawiane do grup metylenowych (rys.10.2b i 10.2c) przekształcając je w grupy metylowe. W końcowym stadium nowo powstała cząsteczka etanu ulega desorpcji z powierzchni katalizatora (rys.10.2d).

 Rys.10.2a      

Rys.10.2b      

Rys. 10.2c     

Rys. 10.2d