Катализ и каталитические реакции

Катализ и каталитические реакции. Катализ — слово греческое; этимологическое значение его то же, что слова: анализ, т. е. разложение; но приставка хата (в отличие от ανα) указывает на оттенок разложения, именно: с упрощением. В науку это понятие ввел Берцелиус (1836 г.), высказавшись так: «Некоторые тела своим соприкосновением с другими телами оказывают на последние такое действие, что со стороны их возникает химия, деятельность, причем тела, присутствие которых обусловливает эти явления, не принимают участия в этом». Типичным примером каталитического влияния посторонних тел может служить разложение перекиси водорода, протекающее с различной скоростью в различных сосудах. Причину такого влияния посторонних веществ на возникновение деятельности в реагирующей среде Берцелиус назвал каталитической силой. Против такого названия горячо восстал Либих, находя самое введение понятия «катализ» совершенно излишним. По мнению Мичерлиха (1841), поверхность многих веществ обладает свойством вызывать образование или распадение соединений, причем сами вещества в соединение не вступают. Такое действие посторонних веществ Мичерлих назвал контактным; например, перекись марганца ускоряет разложение бертоллетовой соли при нагревании последней; следовательно, перекись марганца оказывает контактное действие. Теперь в науке катализ и контактное действие выражают одно и то же. Немецкий химик В. Оствальд, давший современное определение катализа и вместе с тем установивший принцип классификации каталитических влияний, о каталитических явлениях так говорит: «Сущность каталитических явлений такова, что от прибавления некоторых веществ реакционные скорости, которые раньше были незначительны, вдруг становятся необыкновенно большими». «Катализатор — такое вещество, которое, не появляясь в конечном продукте химической реакции, изменяет ее скорость». Давая такое определение, Оствальд намеренно не высказал определенного взгляда на причину такого влияния, потому что в основе каталитических действий могут лежать причины различного рода. В современной науке на каталитические явления установился такой взгляд: для того, чтобы какое-нибудь вещество действовало, как катализатор, необходимо, чтобы оно выполняло следующие условия: 1) небольшое количество катализатора должно быть способно влиять на значительное количество реагирующего вещества; 2) катализатор, влияя на реакцию, сам не подвергается никакому химическому изменению, и 3) катализатор не может дать начало какой-либо химической реакции. Каталитические реакции, удовлетворяющие этим требованиям, назовем каталитическими реакциями 1-го рода. Как типичный пример  катализа реакций 1-го рода, можно указать на инверсию тростникового сахара под влиянием  кислот; на разложение перекиси водорода с выделением кислорода действием KJ в водном растворе; здесь кислота и иод-ион действуют каталитически. Но существует очень много каталитических реакций, в которых: 1) сам катализатор не остается без изменения; 2) количество его очень часто немало, сравнительно с количеством изменяющегося вещества; 3) сам катализатор дает начало химическому превращению, и 4) продукты химического изменения катализатора оказывают влияние на первоначальную концентрацию катализатора. Это — каталитические реакции 2-го рода. Как пример каталитической реакции 2 рода — реакция разложения иодистого водорода и KJ в кислой среде перекисью водорода: здесь иод-ион не только действует, как катализатор, но и сам участвует в реакции. Кроме положительных катализаторов, которые ускоряют ход химической реакции, существуют и отрицательные катализаторы, замедляющие течение реакции во времени. Пример химической реакции с замедлением — вышеуказанная реакция разложения иодо-водорода и иодистого калия в кислой среде перекисью водорода: выделяющийся свободный иод, образуя с иодоводородом комплексное (двойное) соединение HJ₃, уводит из круга действия некоторое количество HJ и тем самым уменьшает концентрацию катализатора иод-иона, вследствие этого реакция замедляется в своем течении. К положительным каталитическим реакциям надо отнести явления так называемого аутокатализа, которые характеризуются тем, что образующиеся продукты реакции действуют с своей стороны также каталитически-ускорительно на реакцию; вследствие этого реакция, протекающая сначала медленно, по мере ее хода ускоряется, достигает некоторого максимума в скорости и потом уже начинает убывать. Пример: растворение меди в азотной кислоте. Для объяснения причин каталитических действий посторонних веществ предложено много гипотез; из них заслуживают внимания гипотеза катализа чрез посредство промежуточных форм, ионная гипотеза Эйлер-Штиглица и диффузионная теория Нернста (катализ в неоднородной среде). Литература: Г. Джонс, Основы физической химии, русский перевод; Нернст, Теоретическая химия, русский перевод; Е. И. Орлов, ряд статей: «К кинетике химических реакций», в Журнале Русского Физико-Химического общества за 1911/13 гг.; G. Woker, Die K. (1910).

Е. Орлов.