ГЕТЕРОГЕ́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ

ГЕТЕРОГЕ́ННЫЙ КАТА́ЛИЗ, из­ме­не­ние ско­ро­сти или ини­ции­ро­ва­ние хи­мич. ре­ак­ции за счёт взаи­мо­дей­ст­вия (кон­так­та) реа­ген­тов с ка­та­ли­за­то­ра­ми, ко­то­рые об­ра­зу­ют са­мо­сто­ят. фа­зу, от­де­лён­ную от ре­ак­ци­он­ной сре­ды по­верх­но­стью раз­де­ла; ус­та­рев­шее назв. «кон­такт­ный ка­та­лиз». В боль­шин­ст­ве слу­ча­ев яв­ле­ние ка­та­ли­за обу­слов­ле­но цик­лич. про­ме­жу­точ­ны­ми хи­мич. взаи­мо­дей­ст­вия­ми мо­ле­кул реа­ги­рую­щих ве­ществ с ка­та­ли­за­то­ром. Эти взаи­мо­дей­ст­вия при­во­дят к об­ра­зо­ва­нию ре­ак­ци­он­но­спо­соб­ных про­ме­жу­точ­ных хи­мич. со­еди­не­ний – ка­та­ли­тич. ин­тер­ме­диа­тов; по за­вер­ше­нии цик­ла взаи­мо­дей­ст­вий и об­ра­зо­ва­ния ко­неч­ных про­дук­тов ус­ко­ряе­мой ре­ак­ции ка­та­ли­за­тор вос­ста­нав­ли­ва­ет свой хи­мич. со­став. Ре­зуль­ти­рую­щее сте­хио­мет­рич. урав­не­ние хи­мич. пре­вра­ще­ний не вклю­ча­ет ка­та­ли­за­то­ры.

Наи­бо­лее рас­про­стра­нён Г. к., при ко­то­ром ка­та­ли­за­тор яв­ля­ет­ся твёр­дым ве­ще­ст­вом и ус­ко­ря­ет ре­ак­ции ме­ж­ду реа­ген­та­ми в га­зо­вой или в жид­кой фа­зах. В этом слу­чае ка­та­ли­тич. пре­вра­ще­нию реа­ген­тов пред­ше­ст­ву­ет диф­фу­зия мо­ле­кул реа­ги­рую­щих ве­ществ к по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ра и их ад­сорб­ция (обыч­но хе­мо­сорб­ция) на по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ра. Осн. ка­та­ли­тич. пре­вра­ще­ния, в т. ч. и хе­мо­сорб­ция реа­ген­тов, про­ис­хо­дят на ак­тив­ных цен­трах ка­та­ли­за­то­ра. Да­лее про­ис­хо­дит де­сорб­ция мо­ле­кул про­дук­тов ре­ак­ции с по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ра и их диф­фу­зия в жид­кую или га­зо­вую фа­зу.

Осн. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми ка­та­ли­за­то­ров в Г. к. яв­ля­ют­ся ка­та­ли­тич. ак­тив­ность (ко­ли­че­ст­вен­но вы­ра­жа­ет­ся обыч­но от­но­ше­ни­ем ско­ро­сти ка­та­ли­зи­руе­мой ре­ак­ции, т. е. чис­ла ка­та­ли­зи­руе­мых пре­вра­ще­ний мо­ле­кул реа­ген­тов в еди­ни­цу вре­ме­ни, к мас­се или объ­ё­му ка­та­ли­за­то­ра) и удель­ная ка­та­ли­тич. ак­тив­ность (от­но­ше­ние ско­ро­сти к еди­ни­це по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ра или к чис­лу ак­тив­ных цен­тров), а так­же се­лек­тив­ность про­цес­са (от­но­ше­ние ско­ро­сти на­ко­п­ле­ния це­ле­во­го про­дук­та к сум­ме ско­ро­стей всех пре­вра­ще­ний ис­ход­но­го реа­ген­та), оп­ре­де­ляю­щая ве­ро­ят­ность то­го, что пре­вра­ще­ние мо­ле­кул реа­ген­тов про­ис­хо­дит в тре­буе­мом на­прав­ле­нии. Важ­ней­шие па­ра­мет­ры, по­зво­ляю­щие вли­ять на ско­рость про­цес­са, – темп-ра и дав­ле­ние (кон­цен­тра­ция) реа­ген­тов.

Вы­со­кая ак­тив­ность мн. прак­ти­че­ски важ­ных ка­та­ли­за­то­ров Г. к. обу­слов­ле­на боль­шой кон­цен­тра­ци­ей ак­тив­ных цен­тров на по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ра. Лю­бое уве­ли­че­ние по­верх­но­сти ка­та­ли­за­то­ров, в т. ч. за счёт её мак­ро-, мик­ро- или не­ред­ко на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ва­ния, уси­ли­ва­ет их ак­тив­ность. Удель­ная по­верх­ность ти­пич­ных пром. ка­та­ли­за­то­ров Г. к. – от не­сколь­ких де­сят­ков до не­сколь­ких со­тен м² на 1 г ка­та­ли­за­то­ра.

При­ро­да ве­ществ, спо­соб­ных вы­сту­пать в ка­че­ст­ве ка­та­ли­за­то­ров в Г. к., очень раз­но­об­раз­на и за­ви­сит от ти­па ка­та­ли­зи­руе­мой ре­ак­ции и ус­ло­вий её про­ве­де­ния (напр., темп-ры). Так, ти­пич­ны­ми ка­та­ли­за­то­ра­ми ки­слот­но-осно́вных ре­ак­ций яв­ля­ют­ся про­стые и сме­шан­ные ок­си­ды не­пе­ре­ход­ных ме­тал­лов, в т. ч. на­но­ст­рук­ту­ри­ро­ван­ные мо­ле­ку­ляр­ные си­та (напр., це­о­ли­ты), ио­но­об­мен­ные смо­лы. В ка­че­ст­ве ка­та­ли­за­то­ров окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ных пре­вра­ще­ний ши­ро­ко при­ме­ня­ют дис­пер­ги­ро­ван­ные бла­го­род­ные ме­тал­лы в сво­бод­ном со­стоя­нии или за­кре­п­лён­ные на но­си­те­ле, ок­си­ды и суль­фи­ды пе­ре­ход­ных ме­тал­лов и пр. В ге­те­ро­ген­ном фо­то­ка­та­ли­зе ис­поль­зу­ют ок­си­ды и суль­фи­ды с по­лу­про­вод­ни­ко­вы­ми свой­ст­ва­ми.

В пром-сти ка­та­ли­за­то­ры Г. к. от­но­сят к сред­не- и ма­ло­тон­наж­ным про­дуктам, их удель­ная стои­мость в об­щей се­бе­стои­мо­сти про­из­во­ди­мой про­дук­ции обыч­но не пре­вы­ша­ет 0,1–2%. Об­щий объ­ём ис­поль­зо­ва­ния та­ких ка­та­ли­за­то­ров в Рос­сии 80–100 тыс. т/год; стои­мость – в ми­ре 10–12 млрд. долл. США/год, в Рос­сии 600–700 млн. долл. США/год (2005).

Ге­те­ро­ген­но-ка­та­ли­тич. про­цес­сы име­ют важ­ное прак­тич. зна­че­ние. На их ис­поль­зо­ва­нии ос­но­ва­но до 90% тех­но­ло­гий неф­те­пе­ре­ра­ба­ты­ваю­щей, неф­те­хи­мич. и хи­мич. от­рас­лей пром-сти. Г. к. при­ме­ня­ют при глу­бо­кой пе­ре­ра­бот­ке неф­ти, про­из-ве вы­со­ко­ок­та­но­во­го бен­зи­на, ма­ло­сер­ни­сто­го ди­зель­но­го и спец. ви­дов то­п­ли­ва, ор­га­нич. рас­тво­ри­те­лей, мо­но­ме­ров для по­лу­че­ния пла­ст­масс, мн. по­ли­ме­ров, ор­га­нич. и не­ор­га­нич. ки­слот, удоб­ре­ний и средств за­щи­ты рас­те­ний, ле­карств и био­ло­ги­че­ски ак­тив­ных ве­ществ, не­ко­то­рых пи­ще­вых про­дук­тов и пр. Ре­ак­ции с ис­поль­зо­ва­ни­ем Г. к. ле­жат в ос­но­ве мн. при­ро­до­охран­ных тех­но­ло­гий, напр. очи­ст­ки от­хо­дя­щих, ды­мо­вых и вы­хлоп­ных га­зов от ле­ту­чих ор­га­нич. со­еди­не­ний, мо­но­ок­си­да уг­ле­ро­да, ок­си­дов азо­та, ди­ок­си­да се­ры, се­ро­во­до­ро­да. В про­мыш­лен­но раз­ви­тых стра­нах дей­ст­ву­ют за­ко­ны, тре­бую­щие обя­за­тель­но­го обо­ру­до­ва­ния ав­то­мо­би­лей ка­та­ли­тич. ней­тра­ли­за­то­ра­ми вы­хлоп­ных га­зов. Боль­шое зна­че­ние Г. к. (в т. ч. элек­тро­ка­та­лиз) име­ет для ав­то­ном­ной, во­до­род­ной и не­тради­ци­он­ной энер­ге­ти­ки, в ча­ст­но­сти для соз­да­ния то­п­лив­ных эле­мен­тов для вы­со­ко­эф­фек­тив­ных элек­тро­хи­мич. ге­не­ра­то­ров.