Катализа́тор — химическое вещество, ускоряющее реакцию, но не входящее в состав продуктов реакции.

Катализаторы подразделяются на гомогенные и гетерогенные. Гомогенный катализатор находится в одной фазе с реагирующими веществами, гетерогенный — образует самостоятельную фазу, отделённую границей раздела от фазы, в которой находятся реагирующие вещества. Типичными гомогенными катализаторами являются кислоты и основания. В качестве гетерогенных катализаторов применяются металлы, их оксиды и сульфиды.

Реакции одного и того же типа могут протекать как с гомогенными, так и с гетерогенными катализаторами. Так, наряду с растворами кислот применяются имеющие кислотные свойства твёрдые Al₂O₃, TiO₂, ThO₂, алюмосиликаты, цеолиты. Гетерогенные катализаторы с основными свойствами: CaO, BaO, MgO^[1].

Гетерогенные катализаторы имеют, как правило, сильно развитую поверхность, для чего их распределяют на инертном носителе (силикагель, оксид алюминия, активированный уголь и др.).

Для каждого типа реакций эффективны только определённые катализаторы. Кроме уже упомянутых кислотно-основных, существуют катализаторы окисления-восс присутствие переходного металлатановления; для них характерно или его соединения (Со⁺³, V₂O₅+MoO₃). В этом случае катализ осуществляется путём изменения степени окисления переходного металла.

Много реакций осуществлено при помощи катализаторов, которые действуют через координацию реагентов у атома или иона переходного металла (Ti, Rh, Ni). Такой катализ называется координационным.

Если катализатор обладает хиральными свойствами, то из оптически неактивного субстрата получается оптически активный продукт.

В современной науке и технике часто применяют системы из нескольких катализаторов, каждый из которых ускоряет разные стадии реакции^[2][3]. Катализатор также может увеличивать скорость одной из стадий каталитического цикла, осуществляемого другим катализатором. Здесь имеет место «катализ катализа», или катализ второго уровня.

В биохимических реакциях роль катализаторов играют ферменты.

Катализаторы следует отличать от инициаторов. Например, перекиси распадаются на свободные радикалы, которые могут инициировать радикальные цепные реакции. Инициаторы расходуются в процессе реакции, поэтому их нельзя считать катализаторами.

Ингибиторы иногда ошибочно считают отрицательными катализаторами. Но ингибиторы, например, цепных радикальных реакций, реагируют со свободными радикалами и, в отличие от катализаторов, не сохраняются. Другие ингибиторы (каталитические яды) связываются с катализатором и его дезактивируют, здесь имеет место подавление катализа, а не отрицательный катализ. Отрицательный катализ в принципе невозможен: он обеспечивал бы для реакции более медленный путь, но реакция, естественно, пойдёт по более быстрому, в данном случае, не катализированному, пути.

каталитически активной в реакции олигомеризации является смесь орто- и пирофосфорной кислот. Метафосфорная кислота неактивна в реакции олигомеризации.

Жидкая фосфорная кислота не нашла широкого промышлен­ного применения в качестве катализатора олигомеризации низко­молекулярных олефинов в основном потому, что высокая коррозион­ная активность жидкой кислоты создает значительные трудности при аппаратурном оформлении процесса. Поэтому, не­смотря на определенные технологические преимущества использо­вания жидкой кислоты, в промышленности ее используют, предва­рительно пропитав ею носитель. Исследования показали, что лучше всего использовать носитель кислотного типа. Применение нейтральных носителей, например активного угля или кварца приводит, как правило, к образованию алкилфосфатов, которые легко улетучиваются. Поэтому в основном используют кислые носите­ли — кизельгур и асбест. При взаимодействии фосфорной кислоты с кислыми носителями образуются кремнефосфаты, которые прак­тически нелетучи.

Срок службы фосфорнокислотных катализаторов и количество олигомера, полученного с единицы их массы, существенно зависит от содержания в используемом сырье примесей каталитических ядов, в частности азотистых соединений, которые попадают в олефины из щелочных промывных вод или с установок абсорбционной очистки от сероводорода. Анализ отравленных твердых катализа­торов показал, что азот концентрируется уже в первых слоях ка­тализатора и при содержании азота в катализаторе 0,1—0,2% показатели работы установок резко ухудшаются.

Помимо аммиака и содержащихся в сырье органических осно­ваний, как каталитические яды, действуют примеси кислорода (более 2·10^-3 %) и бутадиена. Последние приводят к отложениям различных углистых соединений на поверхности катализатора и к его дезактивации.

Как отмечалось выше, эффективность работы фосфорно-кислотных катализаторов зависит от состава содержащихся в них фос­форных кислот. Оптимальной активностью обладают смеси орто-и пирофосфорной кислот.

Известно, что в процессе эксплуатации фосфорно-кислотные ка­тализаторы постоянно обезвоживаются как за счет протекания реакций гидратации олефинов с образованием простых эфиров и спиртов, так и физического уноса воды.

Для поддержания катализатора в форме, соответствующей его оптимальной активности, над ним должно быть определенное пар­циальное давление водяного пара, Понятно, что величина этого давления зависит от температуры, при которой ведется процесс. При 70°С повышение давления водяного пара от 0,13 до 2,0 МПа снижает активность катализатора примерно в 25 раз. При 120°С такое же изменение давления водяного пара приводит к возрастанию активности катализатора в 5 раз, а дальнейшее увеличение давления пара резко уменьшает активность катализатора.

Такая чувствительность катализатора к изменению давления паров воды (т. е. влажности сырья) делает управление процессом довольно сложным, особенно если учесть, что во время эксплуата­ции катализатор постепенно теряет активность и это приходится компенсировать повышением температуры.

Концентрация кислоты определяет не только активность, но и срок службы катализатора. Поэтому сырье в промышленных про­цессах должно содержать такое количество воды, которое обеспе­чивает поддержание концентрации кислоты в пределах 103—110 %. При меньшей концентрации не только уменьшается активность катализатора, но и растет унос кислоты. При более высокой кон­центрации усиливается сопряженная полимеризация и увеличи­вается количество образующихся смолистых полиолефинов, кото­рые, отлагаясь на катализаторе, экранируют его поверхность, за­трудняют доступ сырья и таким образом дезактивируют катализатор.

Для поддержания активности катализатора на оптимальном уровне, требуется корректировка влажности сырья в зависимости от температуры процесса. Такую корректировку удобно проводить, используя график, предложенный специалистами фирмы UOP для процесса «общей полимеризации».

На полимеризацию, как уже указывалось, благоприятно влияет повышение давления. Это обусловлено не только термо­динамическими факторами, но и значительным ускорением про­цесса и возможностью работы без регенерации катализатора. Хотя изучение кинетики реакций показало, что удов­летворительные степени превращения олефинов достигаются уже при давлениях ≈2,0 МПа, промышленные установки работают под давлением до 8,0 МПа. При низком давлении на катализаторе постепенно сорбируются высшие продукты полимеризации и осмоления. При повышении давления часть продуктов полимеризации конденсируется, увле­кая с собой в жидкую фазу (вымывая) соединения, дезактиви­рующие катализатор, что увели­чивает срок службы катализатора. Выбор температурного диапазона процессов олигомеризации также проводится, исходя из условий удлинения срока работы ка­тализатора за счет подавления реакции сопряженной полиме­ризации.

Каталитические яды — вещества, вызывающие «отравление» катализатора, то есть снижающие его каталитическую активность или полностью прекращающие каталитическое действие.

Причина отравления заключается в адсорбции каталитического яда на поверхности катализатора. Различают следующие виды каталитического отравления:

— Каталитический яд может адсорбироваться на активном центре катализатора, препятствуя взаимодействию реагентов с этим активным центром. В данном случае наблюдается линейная зависимость снижения каталитической активности от количества введенного в систему яда.

Пример: действие хинолина на алюмосиликатные катализаторы при крекинге.

— Экранирование — яд может сильно отравить поверхность катализатора, что приведет к резкому снижению каталитической активности. В этом случае введение дополнительных доз яда будет снижать активность медленно.

Пример: разложение пероксида водорода на платиновом катализаторе при адсорбции яда — дихлорида ртути.

Случается, что в микродозах некоторый каталитический яд может служить и промотором, когда в больших количествах начинает действовать как яд. Данный вид действия принято называть модифицированием катализатора. В случае сложных каталитических реакций каталитические яды могут действовать избирательно — подавлять каталитическую активность в одних катализаторах и не влиять на другие. В некоторых случаях одни и те же вещества могут быть каталитическими ядами по отношению к одним реакциям и не влиять на другие.