ГЕТЕРОГЕННЫЙ КАТАЛИЗ
Гетерогенный катализ осуществляется в том случае, когда катализатор и реагирующая система находятся в различных фазовых состояниях.
Для объяснения многих примеров гетерогенного катализа привлекаются представления теории промежуточных соединений. Например, при каталитическом разложении пероксида водорода происходит расходование, а затем регенерация катализатора, оксида 
Все гетерогенные процессы происходят на поверхности фазового раздела. Больше всего изучены те гетерогенные процессы, при которых молекулы газовой фазы реагируют с поверхностью твердого тела. Гетерогенный катализ на твердой поверхности может быть объяснен на основе представлений теории адсорбции.
Адсорбционная теория гетерогенного катализа
Термин адсорбция означает накопление молекул на поверхности раздела фаз. (Необходимо различать термины адсорбция и абсорбция. Последний означает проникновение молекул в объем другого вещества.) Различают адсорбцию двух типов. Физическая
адсорбция происходит, когда молекулы связываются с «активными центрами» и поверхности твердого вещества силами Ван-дер-Ваальса. Химическая адсорбция, ил хемосорбция, происходит, когда молекулы связываются с активными центрами и поверхности химическими связями.
Гетерогенный катализ обычно включает как физическую адсорбцию, так и хемосорбцию. Некоторые химики полагают, что механизм гетерогенного катализа включает пять названных ниже стадий, причем все они обратимы.
1. Диффузия. Реагирующие молекулы диффундируют к поверхности твердого вещества.
2. Адсорбция. Реагирующие молекулы сначала подвергаются физической адсорбции на активных центрах поверхности твердого вещества. Затем они хемосорбируютс на ней.
3. Химическая реакция. Реагирующие молекулы, оказывающиеся рядом друг другом, вступают в реакцию между собой с образованием продуктов.
Рис. 9.20. Схематическое изображение пяти стадий гетерогенного катализа.
Таблица 9.9. Классы гетерогенных катализаторов
4. Десорбция. Эта стадия обратна стадии адсорбции. После завершения реакции молекулы продуктов оказываются сначала хемосорбированными на поверхности. Затем они становятся физически адсорбированными на ней и в конце концов высвобождаются с поверхности.
5. Диффузия. Молекулы продуктов диффундируют от поверхности.
Эти пять стадий схематично представлены на рис. 9.20 на примере каталитического гидрирования этилена с использованием тонкоизмельченного никелевого катализатора:
Отметим, что водород адсорбируется на поверхностных атомах никеля в атомарном виде. Тонкоизмельченное состояние катализатора обеспечивает большую площадь его поверхности и тем самым повышает эффективность его каталитического действия.
Классы гетерогенных катализаторов
Все гетерогенные катализаторы можно подразделить на четыре класса, которые указаны в табл. 9.9. Примеры, приведенные в этой таблице, иллюстрируют роль катализаторов в промышленности. (О важной роли каталитических процессов можно судить по тому факту, что они обеспечивают 20% валового национального продукта США.)
Каталитические преобразователи
Каталитические преобразователи (конвертеры) используются в некоторых системах выброса выхлопных газов для превращения вредных газов в безвредные. На рис. 9.21 показана схема типичного каталитического преобразователя. Выхлопные газы, содержащие углеводороды и моноксид углерода, пропускают через слой шариков, покрытых платиновыми и палладиевыми катализаторами. Преобразователь нагревают и через него прогоняют избыток воздуха. В результате углеводороды и моноксид углерода превращаются в диоксид углерода и воду, которые являются безвредными веществами.
Рис. 9.21. Каталитический преобразователь выхлопных газов.
Автомобили, снабженные каталитическими преобразователями в своей выхлопной системе, должны заправляться только таким бензином, который не содержит примесей свинца, чтобы предотвратить отравление катализатора свинцом.
Каталитические преобразователи используются также для восстановления оксидов азота в свободный азот.
Промоторы и каталитические яды
Промотором называется вещество, которое усиливает эффективность действия катализатора. Например, небольшие количества оксидов калия и алюминия используются в качестве промоторов, улучшающих действие железного катализатора при синтезе аммиака в процессе Габера (см. разд. 7.2).
Каталитические яды снижают эффективность действия катализаторов. Например, при гидрировании алкенов с помощью тонкоизмельченного никелевого катализатора действие последнего может подавляться моноксидом углерода.
