触媒作用は、特定の化学反応が起こる速度を加速できる物質が使用されるときに発生します。これらの物質は触媒と呼ばれます。これらは反応中に消費されませんが、プロセスの最後に完全に再生されます。
触媒は化学産業で広く使用されており、2 つの異なるタイプがあります。 1 つは均一触媒作用で、使用される反応物質と触媒の両方が同じ相にあり、単相または均一系を形成します。もう 1 つは不均一系触媒です。すでにご想像のとおり、反応物がある相にあり、触媒が別の相にあり、多相系または不均一系を形成します。
次に、鉄を触媒として窒素ガスと酸素ガスからアンモニアを生成する反応です。反応物と生成物は気相にありますが、触媒は固相にあり、二相系を形成していることに注意してください。
アンモニア生成反応
不均一系触媒の工業的利用の例は、オストワルド法として知られる硝酸の製造方法です。この方法は、発見者の化学者ヴィルヘルム・オストワルド (1853-1932) にちなんで名付けられました。
科学者ヴィルヘルム・オストワルド
このプロセスのステップの 1 つは、プラチナを触媒として使用したアンモニアの酸化です。
不均一系触媒における白金を用いたアンモニア酸化反応
最初に挙げた例と同様に、ここでも触媒は固体ですが、反応参加者は液体状態です。触媒に加えて、このプロセスも高圧および高温で実行されます。形成された NO は NO 2に変換され、さらに NO 2 は硝酸 (HNO 3 ) に変換されます。
産業で行われる不均一系触媒のもう 1 つの例は、マーガリンの製造プロセスです。テキスト「マーガリンの起源と水素化反応」によると、マーガリンの工業生産は、植物油分子への水素化反応 (水素 – H 2の付加) を通じて行われます。
油がマーガリンなどの脂肪と異なるのは、油鎖の炭素間に不飽和（二重結合）があるという点だけです。しかし、水素添加により、これらの不飽和は破壊され、水素との結合に置き換えられ、脂肪を構成する飽和鎖（炭素間の単結合のみ）が形成されます。
これらの反応を促進するために、ニッケル、白金、パラジウムなどの金属が触媒として使用されます。このタイプの反応の例を以下に示します。
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水素添加反応の例
オイルは液体、水素は気体、触媒（粉末ニッケル）は固体です。したがって、これは不均一触媒作用の一例です。
触媒は通常、反応の活性化エネルギーを減少させて反応を容易にすることで作用し、そのため反応速度が速くなります。ただし、この例では、これは触媒の仕組みではありません。実際、そのメカニズムは吸着によって起こります。
水素ガス分子がニッケル金属の表面に付着すると、ニッケル金属の結合が弱くなり、最終的には切断されてしまいます。このようにして、孤立した水素 (H) が放出され、水素ガス (H 2 ) の形態である場合よりも容易に油分子と反応します。
不均一系触媒機構スキーム
ニッケルの接触面が大きいほど、より多くの水素分子を吸着するため、より効率的に機能します。このため、粉末状で使用されます。反応終了後、この触媒は完全に回収されます。
触媒コンバーターや自動車用触媒で発生するプロセスも、不均一系触媒作用の一例です。詳細については、次のテキストを参照してください。