Основные принципы каталитического действия. Энергии активации реакции в газовой фазе. Гомогенный катализ, страница 2

Рассмотрим сначала гомогенные каталитические реакции в газовой фазе. Эти процессы сравнительно мало распространены. В качестве примера можно упомянуть старый камерный процесс производства серной кислоты окислением диоксида серы с участием оксидов азота как катализатора. Реакция образования хлористого водорода из хлора и водорода также ускоряется  парами щелочного металла (до 104 актов на 1 атом К).

Обычно эти реакции протекают по механизму цепных реакций. Так например, ускоряющее действие паров воды на окисление СО в диоксид углерода объясняется тем, что в отсутствие воды активные радикалы О*, образовавшиеся по реакции    

СО + О2 = СО2 + О*    быстро гибнут при столкновении с молекулами СО, примесями и стенкой реактора, например,

О*+ СО + М = СО2 + М и цепи обрываются.

Однако в присутствии воды активные радикалы О* вступают в реакцию с водой, что приводит к разветвлению, например, по схеме:

О*+ Н2О à  2НО*;  СО + HO* à СО2 + H*; О2 + H* àHO* + О* и т.д. (схема доказана с использ. спектральных методов обнаружения радикалов: ЭПР, ИК и др.).

6.2.2 Гомогенный катализ в жидкой фазе. Кислотно-основной катализ

Различают общий и специфический кислотно-основной катализ. В соответствии с общей теорией кислот и оснований Бренстеда: кислотой называют вещество, способное отщеплять протон, а основанием - вещество, способное присоединять протон.

В случае общего кислотно-основного катализа диссоциацию кислоты НА и основания В можно представить в виде следующих протолитических реакций с участием растворителя (вода для конкретности):

НА + Н2О = А- + Н3О+

В + Н2О = ВН+ ОН-  

В общем кислотном катализе каталитическим действием, кроме иона гидроксония, обладает и недиссоциированная кислота НА и вода. Поэтому в скорость каталитического процесса будут давать вклад все три активных частицы:

r = kэфCs = Cs [kВCВ+ kHACHA +  kH3O CH3O]           (6.1)

Где Cs – концентрация субстрата S.

K1                                k2

S + HA ↔ SH+ + A-   à П + НА (стадия 2 – медленная)

r = k2[A-] [SH+]                                                           (6.2)

Поскольку стадию 1 можно считать практически равновесной

[A-] [SH+] = K1CsCHA  и       

r = k2K1CsCHA =  kHACHACs = kэфCs              (6.3)

Из уравнения (6.3) видно, что в общем кислотном катализе имеет значение не только рН раствора (CHA), но и природа катализатора – кислоты (kHA)

В случае общего кислотного гомогенного катализа реакций с использованием однотипных катализаторов (кислот или оснований), выполняется т.н. корреляционное соотношение Бренстеда-Гаммета (Е= Ео + α∆Н) или:

lg k = GA + α lg KA       (6.4)

где GA и α константы для данной реакции и KA - константа диссоциации кислоты ВН (или основания В). Это уравнение хорошо подтверждается опытом. Например, для реакции иодирования ацетона катализируемой органическими кислотами, имеющими  KA от 0,057 до 9,1*10-6, GA = -3,1 и α = 0,62, найденные значения констант скорости  хорошо коррелируют с значениями, рассчитанными по уравнению (6.4): различия не превышают 11%.

Аналогично, при разложении нитрамида, катализируемого анионами органических кислот (1- салициловой, 2- щавелевой, 3- уксусной и 4-янтарной), наблюдается линейная корреляция lg k ~ KB.

6.2.3 Специфический Кислотно-Основной Катализ

Реакции такого типа наблюдаются тогда, когда катализатор - кислота представляет собой только ион гидроксония, а катализатор основание представляет собой только ион гидроксила.

K1                                                k2

S + H3О+ ↔ SH+ + Н2О                   SH+   à П + Н3О+ (стадия 2 – медленная)

r = k2[SH+]                             (6.5)

Если стадию 1 можно считать равновесной и реакция протекает в разбавленном растворе, то вместо активностей можно использовать концентрации, причем активность воды равна 1.

2О] [SH+] = K1[S’][H3О+]                         (6.6)

Кроме того, обычно [S] >>[H3О+], и тогда равновесная концентрация субстрата будет приблизительно равна его общей концентрации [S’] ~ [S], и можно получить выражение

[SH+] = KкCs[H3О+]                           (6.7)