КАТА́ЛІЗ (від грец. κατάλνσις — руйнува­н­ня) — при­скоре­н­ня хімічної реакції у присутності каталізаторів, після (або в процесі) пере­бігу якої вони регенеруються. Термін «К.» 1835 увів Й. Берцеліус. Каталітичні реакції дуже поширені у природі і ві­ді­грають важливу роль у хімічній технології та житті. Всі процеси, що від­буваються у живих організмах, регулюються каталізаторами (ферментами) і мають низку загальних особливостей: від­сутність стехіометричних спів­від­ношень між кількістю каталізатора та реагуючими речовинами (субстрату), при­скоре­н­ня лише термодинамічно можливих реакцій, а також однаково як прямих, так і оборотних процесів. Від­повід­но до фазового стану ре­агентів і каталізатора роз­різняють гомоген­ні (змішува­н­ня ре­агентів та каталізатора від­бувається на молекулярному рівні, утворюючи однорідну суміш) та гетероген­ні (ре­агенти і каталізатор знаходяться у різних фазах та від­окремлені один від одного межею поділу фаз) каталізи. Проміжне місце за­ймає мікрогетероген­ний К. у колоїдних системах (К. ферментами). Для К. характерна т. зв. дво­стадійна схема, де каталізатор знаходиться, принаймні, у двох станах. Для окисно-від­новних реакцій це різні ступені окисне­н­ня каталізатора. На­приклад, у процесі роз­кладу пероксиду гідрогену в роз­чині, ферум, що має два ступені окисне­н­ня (+2) та (+3), є добрим каталізатором цієї реакції, на від­міну від нікелю та кобальту, для яких характерний лише один ступінь окисне­н­ня (+2). Гомоген­ний К. — пере­важно реакції у роз­чинах; поширеними є ті, що каталізуються кислотами або основами (кислотно-основний К.). Згідно із теорією кислот (основ) Й. Бренстеда, кислота — донор, а основа — акцептор протонів. На першій стадії від­бувається пере­хід протона із каталізатора на ре­агент (субстрат), на другій — взаємодія проонізованих форми субстрату із роз­чин­ником, на завершальній (регенерація) — обмін протонами між каталізатором та роз­чин­ником (напр., реакція гідратації карбодиіміду). Функціонує також явище автокаталізу, в якому каталізатор є продуктом реакції (напр., реакція окисне­н­ня оксалату перманганат-іону, що каталізується іонами мангану (+2), які є одночасно продуктом реакції). Ви­вче­н­ня механізмів гомоген­ного К., як окисно-від­новного, так і кислотно-основного, показало, що каталізатор може знаходитися у різних (принаймні, двох) квазірівноважних або квазістаціонарних станах. У нерівноважній хімічній системі стаціонарний стан може втратити стабільність. У результаті цього виникають колива­н­ня між стаціонарними станами. В. Бєлоусов та А. Жаботинський виявили цілий клас коливальних каталітичних хімічних реакцій окисне­н­ня броматом органічних сполук (реакції Бєлоусова–Жаботинського). Однією із найві­доміших реакцій цього класу, що ілюструє дію хімічних осциляторів, є окисне­н­ня малонової кислоти броматом. Важливим під­роз­ділом гомоген­ного К. є К. роз­чиненими комплексами пере­хідних металів, які мають частково заповнені d-орбіталі, що уможливлює ко­ординацію центральним іоном металу від­повід­них молекул субстратів. Оскільки на d-орбіталях можна роз­ташувати різну кількість електронів, то для того самого металу можливі різні стабільні ступені окисне­н­ня та ко­ординаційні числа, що і дає можливість за­стосовувати їх як каталізатори (напр., гідрува­н­ня алкенів у неводних роз­чинах із за­стосува­н­ням комплексів родію). Гетероген­но-каталітичні реакції пере­бігають на межі поділу фаз. За­звичай, гетероген­ні каталізатори є твердими, а реакційне середовище — рідиною або газом. Роз­різняють кінетичні та дифузійну ділянки пере­бігу реакції. До кінетичних належать адсорбційно-десорбц. процеси та реакції між адсорбованими частинками у поверх­невому шарі; для неї характерними є від­носно високі енергії активації, тому кінетичні стадії є лімітуючими за від­носно низьких температур. Дифузійні стадії мають невеликі енергії активації, особливо для газової фази, тому вони стають лімітуючими за від­носно високих температур. Якщо каталізатор дуже пористий (особливо з малими радіусами пор), то лімітуючою може стати не зовнішня, а внутрішня (в порах) дифузія. Внутрішньодифузійне гальмува­н­ня можна по­збутися шляхом по­дрібне­н­ня гранул каталізатора. У гетероген­ній реакції бере участь не вся поверх­ня каталізатора, а лише окремі її ділянки, які Х.-С. Тейлор на­звав активними центрами. П. Сабатьє та В. Іпатьєв за­пропонували теорію проміжних поверх­невих сполук, за якою оптимальним є каталізатор із деякою проміжною міцністю звʼязку хемосорбованого ре­агенту із поверх­нею так, аби ні стадія утворе­н­ня проміжної поверх­невої сполуки, ні стадія її роз­кладу не були лімітуючими. При цьому оптимальний ступінь заповне­н­ня поверх­ні хемосорбованою сполукою дорівнюватиме половині (напр., для реакцій гідрува­н­ня алкенів оптимальними каталізаторами є нікель, паладій та платина). Реакції, для яких питома активність залежить від структури каталізатора, М. Будар на­звав структурно-чутливими (напр., реакція синтезу аміаку). За­пропонована М. Кобозєвим теорія ансамблів уможливлює обчисле­н­ня за екс­периментальними даними кількості атомів, що складають активний центр, для нанесених каталізаторів. Д. Дауден поширив ідеї М. Кобозєва на каталітичні властивості гомоген­них металевих сплавів. За його моде­л­лю, сплав є статистичною сукупністю кластерів (ансамблів) різного складу. Мультиплетна теорія К. О. Баландіна базується на принципах енергетичної і геометричної від­повід­ності між структурою ре­агентів та поверх­невого шару каталізатора. Принцип енергетичної від­повід­ності у цій теорії збігається із подібним принципом теорії проміжних сполук (напр., для реакції дегідрува­н­ня циклогексану в мультиплетній теорії припускається утворе­н­ня секс­тетного комплексу за участі шести атомів поверх­ні каталізатора). Принцип геометричної від­повід­ності має велике значе­н­ня у ферментативному К. і є одним із найважливіших факторів високої активності та селективності біо­логічних каталізаторів (ферментів). Роз­виваючи ідею «впі­зна­н­ня», Д. Кошланд за­пропонував модель індукованої від­повід­ності ферменту та субстрату, згідно з якою субстрат спричиняє зміну конформації ферменту, що призводить до зближе­н­ня активних груп ферменту та субстрату і створює умови для їхньої ефективної взаємодії. Створені у живій природі протягом її еволюції біо­каталізатори є набагато активнішими та селективнішими, ніж штучні гомоген­ні та гетероген­ні каталізатори (напр., залізний промотований каталізатор синтезує аміак із азоту та водню при 450–500 °С та 300 атм. т., а фермент нітрогеназа — при кімнатній температурі й атмо­сферному тиску). Отже, життя, яке теж є існува­н­ням високоорганізованих систем у нерівноважному мета­стабільному стані, виникло не лише за допомогою К., але й через нього. Значний внесок у роз­виток теорії К. в Україні зробили Г. Боресков, М. Зелінський, Л. Писаржевський, В. Ройтер, В. Яцимирський та ін.