НЕФТЕПЕРЕРАБОТКА

Гомогенный катализ

Для классификации каталитических процессов полезно различать катализатор и агрегатное состояние реактантов. Катализаторы могут быть газообразными, жидкими или твердыми, в зависимости от их агрегатного состояния. Реагенты также бывают газообразными, жидкими и твердыми. Если катализатор и реактивы находятся в одинаковом агрегатном состоянии, такая система называется гомогенной, а катализ - гомогенным катализом.

Если катализатор и реактанты находятся в разных агрегатных состояниях, такая система называется гетерогенной.

В большинстве случаев катализатор участвует в образовании каждой молекулы продукта. В этом случае химическая реакция, в которой участвует катализатор, является циклической, поэтому по окончании цикла молекулы катализатора возвращаются в исходную форму. Поэтому кажется, что катализатор вообще не расходуется в ходе процесса. Однако реакции, в которых катализатор расходуется или накапливается, также распространены.

Основными преимуществами гомогенного катализа являются высокая эффективность, так как каждая молекула катализатора может контактировать с реагентом (в отличие от гетерогенного катализа, где работает только граница раздела), простота конструкции оборудования для гомогенных каталитических процессов и отсутствие локального перегрева.

Недостатки в основном связаны с трудностью отделения катализатора от реакционной массы, с потерей катализатора и загрязнением целевого продукта катализатором.

Поскольку катализаторами в гомогенных реакциях являются вещества с различными химическими свойствами, катализ может протекать по различным схемам. Эти схемы классифицируются различными способами, и очень часто каталитические явления разделяют, например, на такие типы:

• Нуклеофилы.
• Кислотно-основные, электрофильные.
• Металлические комплексы.

Основной принцип катализа, независимо от типа катализа, заключается в уменьшении энергетического барьера более медленной стадии реакции, то есть в уменьшении энергии активации процесса и, таким образом, в ускорении процесса. Обычно используемым способом снижения энергетического барьера является образование комплекса активного промежуточного продукта катализатора с одним из реактантов, а затем взаимодействие комплекса с другим реактантом. В результате образуется конечный продукт, а исходный катализатор регенерируется. Возможна также изомеризация в комплексе реактант-катализатор, при этом комплекс разрушается с образованием продукта (изомера) и свободного катализатора. Действительно, одна реакция с высокой энергией активации может быть заменена серией реакций с низкой Ea.

Если реакция A + Y → B + Z протекает в присутствии катализатора K, то путь реакции показан на энергетической диаграмме (рисунок слева). На этой диаграмме пунктирной линией показан энергетический барьер (Ea) реакции в отсутствие катализатора.

В присутствии катализатора сначала образуется промежуточный комплекс AK*, энергия активации Ea₁ для этого процесса меньше Ea, затем комплекс реагирует с Y с образованием продукта, который также проходит через незначительный энергетический барьер Ea₂.

Следует отметить, что катализатор только способствует протеканию реакции и не влияет на термодинамику. Добавление катализатора не смещает положение равновесия обратной реакции и, более того, не делает реакцию термодинамически невозможной при определенных условиях.