Кроме рассмотренных факторе », на скорость химической реакции влияют катализаторы.
Катализаторами могут быть атомы, ионы, молекулы, взаимодействующие с реагирующими веществами, влияющие на скорость химической реакции и после каждого реакционного цикла выделяются в химически неизменном состоянии. Явление катализа был открыт Г.Р. Кирхгофф 1814 года, а термин «катализ» был предложен Й.Я. Берцелиусом 1838 года.
Как правило, катализаторы, ускоряющие скорость реакции, называют положительными, а катализаторы, снижают скорость реакции - негативными. Например, гидрохинон и а-нафтол тормозят самочинные процессы окисления жиров. Катализ является очень распространенным явлением. Известно много катализаторов, но универсальным среди них вода. Очень большое количество реакций происходит только в присутствии воды. Например, реакции водорода с кислородом, водорода с хлором и аммиака с хлористым водородом.
Все каталитические процессы можно разделить па три основные группы - гомогенные, гетерогенные и ферментативные.
Катализатор может вступать во взаимодействие с одним или всеми реагирующими веществами, при этом образуется промежуточное соединение АХ. После каждого элементарного химического акта катализатор восстанавливается и может вступать во взаимодействие с новыми молекулами реагентов. Природа сил, на которых основывается взаимодействие катализатора с реагентами, такая же, как и для химических соединений - это ковалентная связь, донорно-акцепторная и кулоновское взаимодействие, водородная связь и др.. Для образования химической связи необходимо полное соответствие молекулярных орбиталей реагирующих молекул и катализатора за энергией и симметрией (специфическое действие катализатора). Катализаторы, независимо от их природы, ускоряют (или замедляют) только термодинамически возможные реакции. Как известно, катализатор входит в состав промежуточного соединения, а термодинамическая возможность процесса определяется разностью свободной энергии начального и конечного состояний системы.
Химический процесс в присутствии катализатора происходит в направлении уменьшения свободной энергии и ускоряется за счет снижения энергии активации, что приводит к увеличению концентрации активированных комплексов. Катализаторы изменяют скорость реакции, но не нарушают равновесия в равновесных (обратимых) химических реакциях, поскольку они в равной степени ускоряют (уменьшают) скорости прямой и обратной реакций. Поскольку катализаторы входят в состав активированного комплекса, вши меняют термодинамические параметры Н * S *, G * и тем самым влияют на скорость и константу скорости реакции.
Каталитические реакции по своей природе относятся к сложных реакций и чаще к последовательным. Поэтому лимитирующей будет стадия, которая проходит с наименьшей скоростью.
На практике часто применяют не отдельный катализатор, а их смеси. Такие сложные катализаторы называют смешанными. Например, используя СИО и МпO2 с примесью некоторых металлов, проводят реакцию окисления оксида углерода при комнатной температуре. Скорость каталитической реакции можно существенно ускорить за счет введения в систему веществ (активаторов), которые повышают активность катализатора.
Со временем активность катализаторов уменьшается вследствие блокировки его активных центров ядами. Это соединения серы, фосфора, мышьяка, ртути, оксиды углерода, цианистые соединения и пищи. Каталитические яды могут также образовывать устойчивые поверхностные химические соединения и тем самым снижать активность катализатора.