Краткий общий механизм и уравнения

В водородировании алкенов обычно действует механизм Лэнгмюра—Хиншоу: адсорбция H2 и алкена на поверхности металла, перенос атомов H и десорбция алкана. Простейшее стехиометрическое уравнение:
(\text{RCH=CH}_2 + H_2 \rightarrow \text{RCH_2-CH_3}).
Для изобутилена (2‑метилпропен) и 1‑бутена:
(\text{(CH}_3)_2\text{C=CH}_2 + H_2 \rightarrow \text{(CH}_3)_3\text{CH}) (изобутан),
(\text{CH}_2!=!\text{CHCH}_2\text{CH}_3 + H_2 \rightarrow \text{CH}_3\text{CH}_2\text{CH}_2\text{CH}_3) (бутан).

Влияние давления H2

Скорость зависит от покрытия поверхности атомами водорода. Для простейшей Л‑Х кинетики:
[
r \propto \frac{K_A p_A \, KH p{H_2}}{(1 + K_A p_A + KH p{H_2})^2},
]
где (pA) — парциальное давление алкена, (p{H_2}) — парциальное давление H2, (K_A,K_H) — константы адсорбции.При низких (p_{H2}) скорость растёт почти пропорционально (p{H2}); при больших (p{H_2}) поверхность может насыщаться H, и скорость достигает плато.Повышение (p_{H_2}) обычно увеличивает селективность к насыщенному продукту (смещает равновесие к алкану) и может подавлять побочные реакции, требующие свободных металлических сайтов (например, изомеризация через дегидрирование/ре-адсорбцию).

Влияние температуры

Интринсивная константа скорости подчиняется закону Аррениуса:
[
k = A \exp!\left(-\frac{E_a}{RT}\right).
]
Повышение (T) увеличивает (k) (ускоряет химический шаг).Константы адсорбции обычно экзотермичны, поэтому
[
K\text{ads} \sim \exp!\left(-\frac{\Delta H\text{ads}}{RT}\right)
]
уменьшаются при росте (T). Следствие: при росте (T) снижается покрытие реагентов на поверхности.Итог: эффект температуры на скорость — конкурентный: повышение (T) ускоряет реакционный шаг, но уменьшает адсорбцию. На практике для многих гетерогенных гидрирований существует оптимальная температура. Селективность: более высокие (T) повышают вероятность побочных термических реакций (изомеризация, крекинг, гидрогенолиз), что обычно снижает селективность на желаемый алкан.

Влияние катализатора (металл, размер частиц, поддержка, яды/промоутеры)

Металл: Pd и Pt — очень активны, требуют низких (T) и (p_{H_2}); Ni менее активен (требует более высоких (T)) и чаще экономичнее. Более активный металл даёт высокую скорость, но может давать больше побочных превращений (изомеризация, гидрогенолиз).Размер частиц и морфология: малая частица → больше активных краевых/координционно-недосаточных сайтов → выше скорость; селективность может меняться (напр., большая доля краевых сайтов усиливает побочные реакции).Поддержка и кислотность: кислые или несбалансированные поддержки способствуют изомеризации двойной связи; для чистого гидрирования выбирают нейтральные/инертные носители (C, SiO2 без кислотных сайтов).Яды/подавители (Pb, S, органические поэд), или «отравленные» Pd (Lindlar-подобные) снижают общую активность, но могут повышать селективность, если нужно избежать нежелательных реакций; для полного гидрирования это редко требуется, но для избирательной гидрогенизации функционалов — важно.

Селективность: изобутан vs бутан (практический взгляд)

Относительная реакционная способность: более заместённые алкены часто сильнее адсорбируются и быстрее гидрируют (стабильность π‑комплекса), но стерические препядствия могут уменьшать скорость для очень загруженных молекул. Поэтому изобутилен (2‑метилпропен) обычно гидрируется быстро и селективно в подходящих условиях; 1‑бутен/2‑бутен также гидрируются, но относительные скорости зависят от катализатора и условий.Если у вас смесь алкенов и целью является преимущественное получение изобутана, полезно:
держать (T) умеренно низким (чтобы снизить изомеризацию и побочные реакции);иметь повышенное (p_{H_2}) (ускоряет гидрирование и смещает равновесие);использовать активный металл (Pd/C) с нейтральной поддержкой и контролируемым размером частиц; избегать кислых носителей;при необходимости слегка «отравить» катализатор для подавления побочных реакций, если они возникают.Если нужно максимизировать получение бутана из бутенов — принципы те же; относительная скорость и порядок насыщения могут привести к тому, что при малом избытке H2 сначала потребляется более реактивный алкен (обычно более замещённый), а менее реактивный останется. Поэтому для полного превращения всех бутенов может потребоваться более высокий (p_{H_2}) или больший катализаторный заряд.

Практическое резюме (правила управления)

Увеличение (p_{H_2}):↑ скорость, ↑ селективность к алкану (до насыщения поверхности).Увеличение (T):↑ скорость химического шага, но ↓ адсорбция; слишком высокое (T) → ↑ нежелательных реакций → ↓ селективность.Выбор катализатора: определяет абсолютную активность и тип побочных реакций; Pd/Pt — высокая активность, Ni — более требовательен к (T). Поддержка/кислотность/промоутеры сильно влияют на изомеризацию и селективность.Для максимальной селективности к изобутану: умеренно низкое (T), высокий (p_{H_2}), активный нейтральный катализатор с контролируемой активностью; избегать кислых поддержек и слишком высоких температур, которые усиливают изомеризацию/распад.

Если нужно, могу дать пример расчёта скорости по Лэнгмюру—Хиншоу для конкретных (K) и (p) или сравнить численно ожидаемые относительные скорости для изобутилена и 1‑бутена.