Гомогенный катализ. Ферментативный катализ.

Катализ является основным средством осуществления химических превра­щений в природе и в практической деятельности человека. Современные процессы производства аммиака, азотной кислоты и азотных удобрений ос­новываются на использовании каталитических реакций. Ежегодное производ­ство этих продуктов достигает нескольких десятков миллионов тонн. В об­ласти нефтепереработки каталитические процессы за последние 50 лет привели к техническому перевороту в этой области, существенно повысив выход мотор­ного топлива и других ценных продуктов из нефти и резко улучшив их качество. Мощность основных каталитических процессов нефтепереработки — крекинга, гидроочистки, риформинга, гидрокрекинга, изомеризации — дости­гает сотен миллионов тонн. На применении катализаторов основаны все процессы нефтехимии, в том числе получение всех мономеров для производст­ва синтетического каучука и других эластомеров, синтетических волокон и многих других полимерных материалов. В последние годы катализаторы нашли применение и для осуществления полимеризации, особенно стереоспе-цифичной. Катализ получил широкое применение и в других отраслях промыш­ленности для осуществления химических превращений. Каталитическое дейст­вие является основой жизнедеятельности в природе. Все химические превраще­ния в организмах инициируются особыми катализаторами — ферментами.

Катализ можно определить как возбуждение химических реакций или изменение их скорости под влиянием веществ-катализаторов, многократно вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции и восстанавливающих после каждого цикла промежуточного взаимо­действия свой химический состав. Влияние катализатора на скорость химичес­кой реакции объясняется участием катализатора в образовании активирован­ного комплекса, по крайней мере на одной из стадий реакции. Это позволяет дать более глубокое определение понятия катализатор. Катализатором назы­вают вещество, изменяющее скорость химической реакции участием в об­разовании активированного комплекса одной или нескольких стадий химического превращения и не входящее в состав конечных продуктов (Г. К. Боресков). Если катализатором служит твердое вещество, то обычно наблюдается постепенное изменение структуры катализатора, а иногда и его состава в ре­зультате взаимодействия с примесями или даже с основными компонентами реакционной смеси. Характерно для катализа то, что все эти изменения представляют собой побочные процессы, не обусловливающие каталитичес­кого действия. Катализатор не влияет на константу равновесия химической реакции. Для доказательства этого утверждения рассмотрим реакцию, в которой исходные вещества и продукты находятся в стандартном состоянии. Проведем реакцию без катализатора и с катализатором. Стандартное изменение энергии Гиббса в обоих случаях будет одинаковым, так как она является функцией состояния. Поэтому и константа равновесия, которая связана со стандартным изменени­ем энергии Гиббса уравнением AG°=-RTlnK°, в присутствии катализатора не изменится. Различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном ката­лизе реагирующие вещества и катализатор находятся в одной фазе (в раст­воре или в смеси газов). В гомогенном катализе выделяют еще фермен­тативный катализ. Ферменты — это вещества белковой природы, которые каталитически регулируют процессы жизнедеятельности в живой природе. При гетерогенном катализе катализатор находится в другой фазе и химическая реакция протекает на границе фаз. Наибольшее практическое значение имеют каталитические реакции, когда катализатор находится в твер­дой фазе, а реагенты — в жидкой или газообразной. В присутствии катализатора реакции ускоряются, т. е. увеличивается кон­станта скорости реакции. Очень высокой специфичностью (селективностью) обладают при­родные гомогенные катализато­ры — ферменты. Это специальные белковые молекулы, в которых имеются полости и несколько ак­тивных центров, благодаря чему взаимодействующие молекулы стро­го ориентируются в пространстве относительно друг друга и актив­ных центров фермента. В состав большинства ферментов входят металлы переменной валентности. Поэтому ферменты можно форма­льно относить к гомогенным ме-таллокомплексным катализато­рам. Ферменты осуществляют многие реакции в очень «мягких» условиях, которые недоступны для син­тетических катализаторов. Например, белки быстро гидролизуются при рН 7 под действием гидролитических ферментов (называемых протеазами). Под действием других ферментов азот соединяется с водородом при комнатной температуре и атмосферном давлении (0,1 МПа), в то время как на синтетичес­ких неорганических (гетерогенных) катализаторах для этого требуются высо­кие температуры (700 — 800 К) и высокие давления (несколько десятков мегапаскалей). Все процессы жизнедеятельности в живой природе регулируют­ся специальными ферментами.

Copyright © 2025 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru