Kataliza

Obecność katalizatora wpływa na szybkość reakcji chemicznej. Katalizator to substancja, która może zwiększyć szybkość reakcji bez zużycia podczas procesu. Podstawowe zrozumienie roli katalizatorów w reakcjach chemicznych można zrozumieć dzięki koncepcji mechanizmów reakcji i diagramów energetycznych.

Ilustrowany obraz przedstawia diagramy reakcji dla endotermicznego procesu chemicznego przebiegającego przy braku (czerwona krzywa) i obecności (niebieska krzywa) katalizatora.

Obie krzywe reprezentują tę samą ogólną reakcję – zaczynają się i kończą przy tych samych energiach. (W tym przypadku produkty mają więcej energii niż reagenty. Stąd reakcja jest endotermiczna). Jednak ich mechanizmy reakcji są różne. Niekatalizowana reakcja przebiega w mechanizmie jednoetapowym (z obserwowanym tylko jednym stanem przejściowym). W przeciwieństwie do tego, reakcja katalizowana przebiega zgodnie z dwuetapowym mechanizmem (obserwuje się dwa stany przejściowe) ze znacznie mniejszą energią aktywacji. Ta różnica w szlakach reakcji ilustruje rolę katalizatora w dostarczaniu alternatywnego mechanizmu reakcji o niższej energii aktywacji, przyspieszając w ten sposób reakcje.

Mechanizm reakcji katalizowanej nie musi obejmować większej liczby elementarnych etapów niż mechanizm niekatalizowany. Musi jednak zapewniać alternatywną ścieżkę reakcji, której etap określania szybkości jest szybszy (o niższym E_a lub energii aktywacji).

Reakcję katalityczną można sklasyfikować jako jednorodną lub niejednorodną, w oparciu o stany fizyczne, w których katalizatory i reagenty występują podczas procesu katalitycznego.

Kataliza jednorodna

W katalizie jednorodnej katalizator znajduje się w tej samej fazie co reagenty – ciało stałe, ciecz lub gaz. Podczas procesu katalizator oddziałuje z reagentem, tworząc substancję pośrednią, która następnie rozkłada się lub reaguje z innym reagentem w jednym lub kilku etapach, aby zregenerować oryginalny katalizator i utworzyć produkt końcowy.

Przykładem katalizy jednorodnej jest proces chemiczny polegający na rozkładzie ozonu zachodzący w górnych warstwach atmosfery ziemskiej. Ozon jest stosunkowo niestabilną cząsteczką, która rozkłada się, dając dwuatomowy tlen. Ta reakcja rozkładu jest zgodna z następującym dwuetapowym mechanizmem:

Wiele substancji może katalizować rozkład ozonu. Na przykład uważa się, że rozkład ozonu katalizowany tlenkiem azotu zachodzi poprzez następujący trzyetapowy mechanizm:

Jednak ogólna reakcja jest taka sama zarówno dla dwuetapowego mechanizmu niekatalizowanego, jak i trzyetapowego mechanizmu katalizowanego NO:

W reakcji katalizowanej zauważ, że NO jest reagentem w pierwszym kroku mechanizmu i produktem w ostatnim etapie. Jest to kolejna charakterystyczna cecha katalizatora: chociaż uczestniczy on w reakcji chemicznej, nie jest zużywany przez reakcję. Dodatkowo w tej jednorodnej katalizie zarówno reagent, jak i katalizator występują w fazie gazowej.

Kataliza heterogeniczna

W katalizie heterogenicznej katalizator występuje w innej fazie (zwykle w postaci stałej) niż reagenty. Takie katalizatory na ogół działają poprzez dostarczanie aktywnej powierzchni, na której może zachodzić reakcja. Reakcje w fazie gazowej i ciekłej katalizowane przez katalizatory niejednorodne zachodzą na powierzchni katalizatora, a nie w fazie gazowej lub ciekłej.

Kataliza heterogeniczna zazwyczaj obejmuje następujące procesy:

1. Adsorpcja reagenta(-ów) na powierzchni katalizatora
2. Aktywacja zaadsorbowanego reagenta (reagentów)
3. Reakcja zaadsorbowanego reagenta (reagentów)
4. Desorpcja produktu(-ów) z powierzchni katalizatora

Ilustrowany obraz przedstawia mechanizm reakcji polegającej na niejednorodnej katalizie etenu i wodoru gazowego na stałej powierzchni niklu, tworząc etan gazowy (C₂H₄ + H₂ ⟶ C₂H₆):

a) Wodór adsorbuje się na powierzchni niklu. Podczas tego procesu wiązania wodór-wodór są zrywane, tworząc wiązania niklowo-wodorowe.
(b) Eten adsorbuje się również na powierzchni niklu, zrywając wiązanie pi węgiel-węgiel i tworząc wiązania niklowo-węglowe.
(c) Atomy wodoru dyfundują po powierzchni i tworzą nowe wiązania węgiel-wodór, gdy zderzają się, tworząc etan (_C2H₆).
d) Cząsteczki etanu desorbują się z powierzchni niklu.

Kataliza heterogeniczna jest stosowana do przemysłowej produkcji produktów chemicznych, takich jak amoniak, kwas azotowy, kwas siarkowy i metanol. Katalizatory heterogeniczne są również stosowane w katalizatorach znajdujących się w większości samochodów napędzanych benzyną.

Ten tekst jest zaadaptowany z Openstax, Chemia 2e, Sekcja 12.7: Kataliza.