Каталіз
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.