Вкратце — катализатор ускоряет достижение равновесия, уменьшая высоту энергетических барьеров, но не меняет термодинамического положения равновесия. Пояснения и формулы:
Как влияет на профиль энергии
- Катализатор обеспечивает альтернативный путь реакции с пониженной энергией активации: уменьшаются энергии переходных состояний для прямого и обратного ходов, т.е. снижаются $\Delta G_{\text{f}}^{‡}$ и $\Delta G_{\text{r}}^{‡}$. На графике координата реакции это — более низкие пики между реагентами и продуктами.
- Скорость связана с энергией активации через уравнение Аррениуса: $$k=A\exp \left(-\frac{E_a}{RT}\right)$$ следовательно снижение $E_a$ повышает скорости.
- Катализатор обычно стабилизирует переходное состояние (или образует промежуточные комплексы), тем самым уменьшая барьер.
Почему равновесие не меняется
- Равновесная константа определяется только разностью стандартных свободных энергий продуктов и реагентов, а не путём: $$K=\exp \left(-\frac{\Delta G^{\circ }}{RT}\right).$$ - Сведения для кинетики: $$K=\frac{k_{\text{f}}}{k_{\text{r}}}.$$ Катализатор изменяет $k_{\text{f}}$ и $k_{\text{r}}$, но соотношение остаётся таким же, потому что термодинамическая разность связана с разностью энергетических барьеров: $$\Delta G^{\circ }=\Delta G_{\text{f}}^{‡}-\Delta G_{\text{r}}^{‡}.$$ - Поскольку катализатор создаёт новый механизм, он понижает оба барьера так, что разность (и следовательно $K$) не меняется. Практический следствие: время достижения равновесия сокращается, но состав в равновесии тот же.
Ограничения катализа (кратко)
- Термодинамические ограничения: катализатор не позволяет превысить равновесное соотношение товаров и реагентов.
- Селективность: катализатор может продвигать побочные пути → неподходящий продукт.
- Массо- и теплообмен: при гетерогенном катализе кинетика может быть ограничена диффузией или адсорбцией, а не поверхностной реакцией.
- Деградация: отравление, облущивание, сыпучесть, спекание, растворение (leaching) снижают активность.
- Рабочие условия: рабочая температура/давление, pH и растворители влияют на активность и стабильность.
- Стоимость и экологичность: редкие металлы, токсичность, регенерация.
Короткое резюме
- Катализатор снижает высоту барьеров → повышает скорости и снижает время достижения равновесия.
- Он не меняет $\Delta G^{\circ }$ и потому не меняет $K$; ограничение — кинетические и практические факторы (селективность, деградация, массообмен и т.д.).