Катализ представляет собой ускорение химических реакций под действием вещества — катализатора — которое не расходуется в ходе процесса. В промышленной химии катализ используется для повышения эффективности, селективности и экономичности технологических процессов. Важнейшей характеристикой катализатора является активность, определяющая скорость реакции, и селективность, характеризующая направленность реакции на получение целевого продукта.
Катализ может быть гомогенным и гетерогенным. В гомогенном катализе катализатор находится в той же фазе, что и реагенты (чаще всего жидкая), что обеспечивает высокую контактную поверхность и равномерное распределение. В гетерогенном катализе катализатор находится в отличной фазе (твёрдая поверхность против газовой или жидкой среды), что обеспечивает лёгкое отделение катализатора и многократное его использование.
Адсорбционно-активированный механизм Основой гетерогенного катализа является адсорбция реагентов на поверхности катализатора. Молекулы взаимодействуют с активными центрами, изменяя электронное распределение и ослабляя химические связи. Пример: гидрирование алкенов на металлических катализаторах (Pt, Pd, Ni).
Механизм с участием промежуточных соединений В ряде случаев на поверхности катализатора образуются промежуточные химические соединения, которые затем превращаются в продукт реакции. Этот механизм характерен для процессов окисления и восстановительных реакций на металлических оксидах.
Гомогенный каталитический цикл Реакции включают последовательность стадий: образование комплекса катализатора с субстратом, превращение его в активный интермедиат, выделение продукта и восстановление катализатора. Пример: гидроксилрование ароматических соединений в присутствии металлических комплексов.
Селективность определяется структурой активных центров и взаимодействием с молекулами реагентов. Контроль параметров поверхности позволяет направлять реакцию по желаемому пути и минимизировать побочные продукты.
Активность зависит от площади поверхности, природы активных центров и условий реакции (температура, давление, концентрация). В гетерогенном катализе важна также пористость и распределение размерa пор, что обеспечивает доступ молекул к активным центрам.
Аммиачный синтез (процесс Габера–Боша) Используется железный катализатор с добавками K₂O и Al₂O₃ для повышения активности и стабильности. Катализатор обеспечивает активацию N₂ и H₂ при высоком давлении (150–300 атм) и температуре (400–500 °C).
Производство серной кислоты (контактный процесс) В качестве катализатора применяется V₂O₅, который ускоряет окисление SO₂ до SO₃, а затем его поглощение водой приводит к получению H₂SO₄ высокой концентрации.
Гидрирование и дегидрирование органических соединений Металлические катализаторы (Ni, Pd, Pt) применяются для получения насыщенных соединений из алкенов, алкинов и ароматических веществ, а также для дегидрирования спиртов и алканов.
Производство пластмасс и полимеров Катализаторы типа цеолитов и Ziegler–Natta позволяют контролировать молекулярную массу, распределение и стереоспецифичность полимеров, обеспечивая точное структурное формирование макромолекул.
Катализаторы активно используются в системах очистки газов и сточных вод. Примером является каталитическое восстановление NOx на автомобильных катализаторах, где смесь Pt, Pd и Rh обеспечивает превращение токсичных газов в N₂ и CO₂. В промышленной химии катализ также применяется для переработки отходов и улавливания загрязнителей, что снижает экологическую нагрузку.
Современные исследования направлены на создание катализаторов с увеличенной активной поверхностью, высокой селективностью и устойчивостью к деактивации. Используются наноструктурированные материалы, оксиды переходных металлов с модифицированной морфологией, а также гибридные системы с органическими лигандами. Особое внимание уделяется биомиметическому катализу и катализу на основе возобновляемых материалов, что способствует переходу к устойчивой промышленной химии.
Постоянное совершенствование катализаторов позволяет снижать энергозатраты, увеличивать выход продуктов и уменьшать образование побочных веществ, что делает катализ ключевым инструментом современной химической промышленности.