Katalizatory

Już w pierwszej połowie XIX wieku zauważono, że pewne substancje znajdujące się w układzie reagującym mogą istotnie wpływać na szybkość reakcji, mimo że w jej wyniku nie ulegają przemianom chemicznym. Substancje zwiększające szybkość reakcji nazywamy katalizatorami (termin ten został wprowadzony w 1836 roku przez J. J. Berzeliusa), natomiast substancje zwalniające reakcje nazywamy inhibitorami, stabilizatorami lub po prostu katalizatorami ujemnymi. Rozróżniamy katalizę homofazową (katalizator stanowi składnik roztworu reakcyjnego) oraz heterofazową (katalizator stanowi odrębną fazę, na ogół stałą).

Wyjaśnijmy, w oparciu o teorię stanu przejściowego, mechanizm katalizy homofazowej na przykładzie hipotetycznej reakcji jednoetapowej.

I. A + B → P

Jeśli taki akt elementarny charakteryzuje duża energią aktywacji, to reakcja przebiega bardzo powoli (rysunek). W obecności katalizatora „K” reakcja ta może przebiegać w dwu aktach elementarnych:

II. A + K → AK

a następnie III. AK + B → P + K

W pierwszym akcie tworzy się produkt pośredni AK, który w następnym akcie reaguje z substratem B, w wyniku czego tworzy się produkt P oraz następuje regeneracja katalizatora. Jeżeli energia aktywacji pierwszej reakcji (I) jest większa od sumy drugiej i trzeciej (II i III), to szybkość reakcji katalizowanej będzie znacznie większa niż szybkość niekatalizowanej. Można wykazać, że szybkość reakcji katalizowanej jest wprost proporcjonalna do stężenia katalizatora.

Specyficzną cechą katalizatorów jest ich selektywność, czyli zdolność przyspieszania tylko jednej określonej reakcji lub grupy reakcji. Przykładem katalizatorów charakteryzujących się bardzo dużą selektywnością są enzymy, katalizujące procesy biochemiczne w organizmie. Są to cząsteczki białek zawierające ugrupowanie atomów (centrum aktywne) o ściśle określonej budowie i konformacji, mogące tworzyć produkt pośredni jedynie z cząsteczką o równie ściśle określonej budowie.

Jeżeli produkt reakcji ma właściwości katalityczne, to mamy do czynienia ze zjawiskiem autokatalizy (wykres). Początkowo szybkość reakcji jest niewielka (w układzie nie ma katalizatora), ale sukcesywnie rośnie, osiągając maksimum po upływie tzw. czasu indukcji, po czym maleje do zera wskutek wyczerpania się substratów.

Dużą grupę procesów katalitycznych stanowią reakcje w fazie gazowej, dokonywane z udziałem katalizatorów stałych, tj. kontaktów (np. synteza amoniaku, utlenianie SO2). Wyróżnia się dwie zasadnicze grupy kontaktów:
- substancje będące dobrymi przewodnikami elektronowymi oraz półprzewodniki. Kontakty te katalizują głównie reakcje utleniania-redukcji z udziałem tlenu lub wodoru.
- substancje będące izolatorami, na ogół tlenki i krzemiany, często w postaci żeli. Katalizują procesy hydratacji, dehydratacji, krakowania, izomeracji i polimeryzacji węglowodorów.
O selektywności i aktywności chemicznej katalizatora decyduje jego skład chemiczny oraz stopień rozwinięcia powierzchni. Aby zapewnić możliwie duże rozwinięcie powierzchni, katalizator jest osadzany na ziarnach substancji porowatych, nazwanych nośnikami (np. węgiel aktywowany, ziemia okrzemkowa). Do katalizatorów osadzonych na nośniku dodaje się promotorów, czyli domieszki, które choć same nie katalizują reakcji, to jednak wydatnie zwiększają aktywność katalizatora.