Някои процеси в природата протичат спонтанно за секунди, а други бавно за часове, дни и дори години. Оказва се обаче, че върху скоростта на химичните реакции може да се влияее (да се ускорят или забавят) с помощта на определени вещества. Те се наричат с общото название катализатори.
Процесът на изменение на скоростта на химичните взаимодействия и ускоряването им, в който участва катализатор, се нарича катализа.
Катализатори
Катализаторите са вещества, които променят скоростта на химичните реакции, като в края на процеса излизат количествено и качествено непроменени.
Те могат да ускоряват само термодинамично възможните реакции и не могат да инициират невъзможни процеси. Ако една реакция не може да се осъществи, то няма катализатор, който да я накара да протече. При обратимите реакции катализаторът влияее в еднаква степен както на скоростта на правата реакция, така и на тази на обратната реакция.
Съществуват катализатори, които ускоряват повече от една по вид реакция. Например платината (Pt) се използва в ускоряването на много видове химични реакции и синтези, в това число и при получаването на амоняк (NH3) от азот и водород.
N2 + 3H2 + cat.(Pt) → 2NH3 + cat.(Pt)
n-хексан + cat.(Pt) → C6H6 (бензен) + 4H2 + cat.(Pt)
Съществуват реакции, които могат да се ускоряват с повече от един вид катализатор. В посочения по-горе пример, синтезирането на амоняк може да се катализира и от катализатор желязо (Fe). Той е много по-евтин от платината.
N2 + 3H2 + cat.(Fe) → 2NH3 + cat.(Fe)
Понякога едни и същи реагенти, при взаимодействието си, са способни да дават различни продукти в зависимост от условията, т.е. участват в различни реакции. В този случай даден катализатор може да ускорява само една от тези реакции. Това свойство на катализаторите, да влияят на скоростта на една от няколко възможни реакции, се нарича селективност.
Например, амоняк (NH3) в присъствието на молекулен кислород (O2) реагира и се образуват молекулен азот (N2) и вода (H2O). Но при наличие на катализатор платина протича друга възможна реакция, при която вместо азот и вода се образуват азотен оксид (NO) и вода.
Съществуват реакции, в които някой от крайните продукти може да се окаже катализатор и да ускори процеса. Това явление е познато като автокатализа, а реакциите се наричат автокаталитични.
Вещества влияещи върху каталитичната активност
Познати са вещества подобни на катализаторите, които забавят химичните реакции. Те се наричат инхибитори. Има и вещества познати като каталитични отрови, които деактивират катализаторите и спират тяхното каталитично действие.
Катализаторите притежават различна ефикасност при ускоряването на катализираните процеси и тя се определя от каталитичната активност на съответният катализатор.
Съществуват вещества под общото название промотори или активатори, които подобряват каталитичната активност. Те могат да се използват в промишлените производства с цел намаляване разходите. Отново в примера с амоняка, желязото е по-малко ефективният катализатор, но и по-евтиният от двата. Неговата активност може да се подобри значително с помощта на K2O и Al2O3.
Видове катализа
1. Според вида на катализаторите, катализата бива киселинно-основна, металокомплексна и биокатализа.
При киселинно-основната катализа, киселинните катализатори биват водородни катиони, метални катиони и молекули на неорганични киселини, а основните катализатори биват хидроксилни аниони и молекули на органични основи (амини и др.).
Катализатори при металокомплексната катализа, както показва названието ѝ, са комплекси на различи метали.
Съществува и специална група катализатори с биологичен произход, които осъществяват биокатализата. Те се наричат ензими и участват в регулацията на метаболитните процеси в живите организми.
2. Катализата е положителна, когато се увеличава скоростта на химичните реакции, а когато скоростта се намалява, катализата е отрицателна.
3. Според фазата на реактивите и катализаторите, катализата бива хомогенна и хетерогенна.
Когато катализаторът има същото агрегатно състояние (най-често течно) като това на веществата от катализираната реакция, то казваме, че имаме хомогеннокаталитичен процес (хомогенна катализа). Скоростта на хомогеннокаталитичните реакции е правопропорционална на концентрацията на катализатора.
Когато катализаторът е в твърдо агрегатно състояние, а веществата в катализираните реакции са течни или газообразни, то казваме, че имаме хетерогеннокаталитичен процес (хетерогенна катализа). Скоростта на хетерогеннокаталитичните процеси е правопропорционална на повърхността на твърдия катализатор.
Механизъм на каталитичното действие
Причините за протичането на химичните реакции като цяло се крият във факта, че всяка система се стреми към енергетически по-стабилни състояния. Обикновено продуктите на взаимодействията, т.е. получените вещества, са енергетично по-стабилни от изходните.
За да протече една химична реакция обаче, трябва още да се преодолее и определена енергетична бариера, т.е. да се достигне до дадено ниво на активираща енергия, при което започват да се осъществят ефективни сблъсъци между частиците на реагентите. При тези сблъсъци се формират молекулите на продуктите. (повече по въпроса може да се прочете в публикацията: Скорост на химичните реакции)
Катализаторът увеличава скоростта на взаимодействие, като променя механизма на химичната реакция. Изменяйки реакционния път, той снижава енергетичната бариера. Така катализаторът намалява необходимите количества активиращата енергия за съответните химични процеси, в които участва.
механизъм на катализирана и некатализирана реакция
Когато изходните вещества достигнат нивата на необходимата активираща енергия, те взаимодействат помежду си и се формира активен комплекс. В него старите връзки все още не са напълно разкъсани, а новите не са напълно образувани.
При катализираните реакции катализаторът участва в образуването на активния комплекс заедно с реагиращите вещества, като енергията за образуване на общия активен комплекс е по-ниска от енергията на активиране на некатализираната реакция.
Катализаторът спомага за осъществяването на реакцията по друг, алтернативен и енергетично по-изгоден път с по-висока скорост, при същата температура. В края на взаимодействието той остава непроменен и може да се използва многократно при други катализирани от него реакции.