Катализаторы. Продолжение.

Катализаторы

Лучше всего принцип структурного и энергетического соответствия выполняют биокатализаторы — ферменты. В процессе естественного отбора появились такие ферменты, поверхность которых очень точно соответствует по структуре и энергетическому состоянию реагирующим молекулам. Они лежат в углублениях на поверхности фермента так же, как деталь, полученная формовкой, лежит в своей форме.

Поверхность фермента представляет как бы матрицу, форму, которая «штампует» новые молекулы. При этом в промышленных реакциях молекула ложится на поверхность катализатора не целиком, а только своей реагирующей, то есть индексной частью. В форме-ферменте укладывается не только индексная часть молекулы, но и внеиндексные заместители. Поэтому, если немного изменить состав молекулы, она может не уложиться в заготовленное «ложе» и реакция прекратится. Так, например, фермент уреаза присоединяет водород к карбамиду, но совершенно не действует на бутил-карбамид, так как более громоздкая бутильная группа не помещается в «штамп», заготовленный для атома водорода.

Интересно, что действие фермента приводит к такому же результату, что и действие высокого давления. Наши промышленные катализаторы еще очень несовершенны. Энергия активации во многих случаях остается довольно высокой. В таких случаях приходится прибегать к «жестким» мерам. Чтобы приблизить индексные атомы молекул на расстояние действия валентных сил, их «прижимают» друг к другу, нередко поднимая давление в реакционной камере до сотен и тысяч атмосфер. Молекула при этом искажается. «Ствол» молекулы и ее «ветви» гнутся, будто в реакторе бушует свирепый ураган. Молекулы тесно прижимаются, вдавливаются друг в друга.

А биокатализаторы работают в «мягких» условиях быстро и четко, ибо особая форма поверхности позволяет молекулам и без давления располагаться самым удобным образом, прижимаясь индексными атомами к активным центрам. На активных центрах, на минимально возможных расстояниях и происходит «склеивание» молекул. Реакции протекают при нормальном давлении и температурах. «Заводам», которые «управляются» биокатализаторами, не нужна служба техники безопасности. Там всегда тишина и спокойствие.

ЛЕТОПИСЬ ПОБЕД

Велики заслуги катализаторов перед человеком. Они — его добрые друзья. Они помогли ему разрешить много серьезных проблем. Например, проблему связывания азота. Азот нужен растениям в виде соединений аммиака и солей азотной кислоты — удобрений. Азот нужен животным и человеку, ибо он образует важнейшую составную часть белков — аминокислоты. Не будет преувеличением сказать: азот нужен человеку как кислород, которым мы дышим.

Но ведь воздух, из которого мы берем кислород, как известно, содержит 79 процентов азота и лишь 20 процентов кислорода. Тем не менее, человечеству, которое живет на дне «океана», натри четверти состоящего из азота, еще не так давно грозил азотный голод, ибо азот воздуха непосредственно не усваивается организмом. А природные залежи селитры — соединений, содержащих азот,— близки к истощению. И вот «поймать» атмосферный азот, заставить его прореагировать, например, с водородом, удалось лишь с помощью катализатора — железа, содержащего 3 процента окислов калия и алюминия. Так образуется аммиак, а его уже легко превратить в соли аммония и в другие соединения, нужные сельскому хозяйству и индустрии.

Полиэтилен сначала получали под давлением в несколько сотен атмосфер. Потом была найдена новая группа металлорганических катализаторов, и теперь давление в заводских установках снизилось почти до нормального.

Сульфат магния — один из лучших катализаторов, отнимающих воду от спирта. Тем не менее добавление в основную массу катализатора сульфата, содержащего радиоактивную серу, ускоряет реакцию еще в два раза.

ВРАГИ НАШИХ ДРУЗЕЙ

Их называют ингибиторами. Иногда — отрицательными катализаторами. Они не ускоряют, а замедляют химические реакции. Здесь тоже действует основной принцип мультиплетной теории. Чем больше структурное и энергетическое соответствие ингибитора и катализатора, тем сильнее замедляющее действие.

Молекула ингибитора имеет такие же размеры атомов и расстояния между ними, как молекула — участник реакции. Только в индексной группе она содержит «чужой» атом. Например, если молекула содержит вместо атома кислорода атом серы, то ее «архитектура», ее строение от этого почти не меняются. И катализатор как бы обманывается и позволяет расположиться в своих владениях врагу. Но ингибитор не вступает в реакцию и прочно устраивается на поверхности катализатора, не пуская туда другие молекулы.

Интересно, что цианистый водород и многие соединения серы, которые являются сильными ядами для человека, также быстро отравляют и большинство катализаторов, блокируя активные центры.

ДРУЖЕСКИЙ СОЮЗ

Мультиплетная теория — далеко не единственная попытка объяснить явление катализа. Если подсчитать, сколько для этого разработано теорий, не хватит пальцев на руках. Но как это ни странно на первый взгляд, между ними почти нет вражды. Правда, и особо дружеских отношений между ними тоже нет. А жаль! Так как при ближайшем рассмотрении оказывается, что претендует каждая из них не на всю каталитическую химию, а только на отдельные ее участки. Вот почему, собственно, между ними и нет серьезных разногласий.

Так, если мультиплетная теория рассматривает некоторые положения, общие для большого числа типов каталитических реакций, то электронная теория изучает работу только катализаторов — полупроводников. Причем наиболее подробно она исследует стадию адсорбции (поверхностного поглощения).

Мы уже говорили о том, что реагирующие молекулы должны на какое-то время прикоснуться к поверхности катализатора. Причем они не просто механически соприкасаются друг с другом, как два столкнувшихся биллиардных шара. На некоторое время молекулы образуют с поверхностью катализатора прочное, почти химическое соединение — как говорят химики, адсорбируются. Так вот, электронная теория и рассматривает, в частности, наиболее подробно особенности процесса адсорбции на катализаторах, которые являются одновременно полупроводниками. Полупроводники составляют довольно солидную часть известных нам несомненно катализаторов, но все же только часть.

Несомненно, что в будущем разные теории каталитических процессов завяжут между собой более тесные связи, а со временем и объединятся в единую теорию катализа, которая сделает человека полноправным хозяином большинства химических явлений.

К КОСМИЧЕСКИМ СКОРОСТЯМ

Придет время, когда человек научится создавать такие катализаторы, которые не будут уступать ферментам. Уже сейчас ведутся опыты по созданию искусственных биокатализаторов.

Давно известно, что при пропускании паров воды через слой раскаленного кокса, образуется окись углерода и водород. А их можно превратить в жирные кислоты и жирные спирты, из которых в принципе возможно получить пищевые жиры, например, сливочное масло. Отыскав «умные» и совершенные катализаторы, мы сумеем получать сливочное масло без помощи капризной рогатой «фабрики» — буренки. Если мы не научились пока обходиться без ее услуг, то, во всяком случае, уже сейчас можем повысить ее производительность, в полной мере обеспечив ее богатым и разнообразным кормом. Для этого нужны удобрения хорошие и разные, нужны гербициды, инсектициды и другие помощники урожая. А ко всему этому имеет прямое отношение каталитическая химия.

Первые автомобили двигались со скоростью велосипеда. Современные самолеты летают быстрее звука. Наш век — век космических скоростей. Вот так же и в химии. С тех пор как человек познакомился с катализатором, скорости промышленных химических реакций перешагнули звуковой рубеж. Новые катализаторы сделают химию — химией космических скоростей.

Автор: А. Баландин.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что на самом деле химические катализаторы в последнее время активно применяются в промышлености, например при прозводстве керамического гранита в Краснодаре, да и многих других вещей.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *