Катализаторы

Катализаторы

Смешайте порошок йода и алюминия. Они могут лежать без изменений день, два, десять. Йод и алюминий соединяются так медленно, что это незаметно для глаза. А если капнуть воды? Осторожно! Берегите глаза! Ослепительная вспышка — и вот уже перед нами новое химическое вещество — йодистый алюминий. Капля воды в миллион раз ускорила реакцию его образования. Как бы ни тянул локомотив, поезд не сдвинется с места, если оси колес не смазаны. Вот почему действие катализатора — капли воды в нашем примере — сравнивают с действием смазочного масла.

Катализаторы… Мы повсюду встречаемся с ними. Вы едете на машине — бензин получен из нефти с помощью катализаторов. Вы надеваете костюм из синтетического волокна — и оно изготовлено также с участием катализаторов. А если вы носите одежду из обычного природного материала — из хлопка или из шерсти? И они выработаны в естественных «лабораториях» и «фабриках» природы также с помощью катализаторов — ферментов. Четыре пятых всех химических реакций, которые идут на химических заводах, и почти все реакции, которые протекают в природе,— вот область действия каталитических реакций.

Как же находить самые сильные, самые эффективные ускорители химических процессов? Ученые давно уже пытаются ответить на этот вопрос. Выдвинуто несколько теорий для объяснения действия катализаторов. Одна из них — мультиплетная, предложенная А. Баландиным еще в 1929 году. Эта теория позволяет не только объяснить, но в ряде случаев и предсказать катализатор, заранее выбрать из большого числа возможных тот, который лучше всего ускоряет нужную нам реакцию (подобно тому как короткий номер 5050 ускоряет общение).

Основное в мультиплетной теории катализа — это принцип структурного и энергетического соответствия между катализатором, с одной стороны, и реагирующими молекулами, с другой. Что это значит?

САМЫЙ НИЗКИЙ ПЕРЕВАЛ

Чтобы попасть из одной долины в другую, надо перевалить через горный хребет. Не каждому человеку это под силу. Придется затратить много энергии. А можно поступить по-другому — поискать перевал пониже.

Чтобы молекулы могли вступить в реакцию друг с другом, они должны обладать каким-то минимальным запасом энергии, так называемой «энергией активации». Для достижения этого уровня, вещество нужно нагреть. А можно поступить наоборот — понизить энергию активации. Эту задачу и выполняют катализаторы. Но чтобы понять, как это, возможно, нужно выяснить, что же такое сама энергия активации.

Каждая молекула обладает удивительной и в то же время совершенно естественной способностью «дружить» с другими молекулами и атомами, соединяться с ними. Число комбинаций таких «дружеских пар» огромно. Так, например, водород может присоединиться и к этилену, и к пропилену, и к бензолу, и к молекулам других веществ. Однако сделать это все же не очень просто. Дело в том, что расстояние, на котором атомы способны проявлять свои химические свойства, — иначе говоря, радиус действия валентных сил — очень мало, примерно в сто миллионов раз меньше сантиметра. Собственные же размеры органических молекул гораздо больше этой величины.

Органическая молекула похожа на дерево. Ствол его образуют атомы углерода, соединенные между собой, а ветви — боковые цепочки — тоже из атомов углерода, но покороче, часто в сочетании с другими атомами — азотом, кислородом, серой и так далее. А листья — атомы водорода. Поэтому, чтобы добраться до «яблока», то есть до того атома, который именно и вступает в реакцию с атомами другой молекулы, придется потрудиться и затратить значительную энергию. А ведь еще надо «сорвать яблоко» — разорвать старые связи — это тоже требует энергии. Все вместе это создает на пути реакции барьер. Вспомним сравнение, с которого начата эта глава. Чтобы молекулы могли соединиться, они должны подняться из «долины» и встретиться на «перевале». И стоит поискать перевал пониже. Катализаторы, как старые опытные проводники — горцы, знают, где скрываются эти перевалы. Они берут молекулу «за руку» и… Почему обязательно «за руку»? Разве нельзя идти просто рядом? Нет. Именно здесь и кроется секрет действия катализаторов. На расстоянии они бессильны.

ЛЮБИТЕЛИ КОМФОРТА

Впрочем, пожалуй, лучше сравнить катализатор с факиром, так как хватит даже кратковременного прикосновения его к молекуле, чтобы она резко изменила свои свойства.

Для превращения аммиака и кислорода в азотную кислоту достаточно пропустить их смесь через реактор с такой скоростью, чтобы молекулы этих веществ пробыли на поверхности катализатора — нагретой платиновой сетки — всего одну стотысячную долю секунды. Что же происходит за это мгновение?

Пусть у нас лежит на столе десяток биллиардных шаров. Если положить сверху еще один шар, то он или «устроится» в углублении, которое образуют три соседних шара, или провалится в «выемку» между ними. Что-то в этом роде наблюдается и в катализе. Существуй сверхсильный микроскоп, в котором были бы видны даже атомы, на поверхности катализатора мы увидели бы множество атомов, расположенных на строго определенном расстоянии друг от друга и образующих, таким образом, выемки и выпуклости. Кроме того, довольно часто встречаются и более глубокие выемки, когда отдельные атомы на поверхности катализатора почему-либо отсутствуют. Иными словами поверхность катализатора имеет довольно сложный «рельеф». При этом каждому катализатору свойственен свой «рельеф» в зависимости от размеров атомов и расстояний между ними.

Но ведь и реагирующие молекулы — будь то молекула жидкости или газа — тоже имеют свой «рельеф», хотя и более гибкий, поскольку здесь расстояния между атомами могут немного увеличиваться или сокращаться, как если бы атомы-«шарики» были соединены пружинками. Такая подвижность имеет свои пределы. Поэтому удобней расположится на поверхности катализатора та молекула, размеры атомов которой и расстояния между ними будут близки соответствующим размерам и расстояниям у катализатора, то есть «выступы» реагирующей молекулы будут совпадать с «выемками» катализатора и наоборот.

Часто катализатор наносят на другое вещество — уголь, асбест… Иногда добавляют специальные вещества — промоторы, которые являются как бы катализаторами катализаторов, резко меняя их свойства. Или подвергают катализатор радиоактивному облучению, обработке высокой температурой и растворителями. С помощью этих методов изменяют «рельеф» поверхности катализатора, то есть делают все для того, чтобы молекула могла расположиться на поверхности катализатора как можно удобнее. При этом атомы реагирующей молекулы, устраиваясь в выемку, прикрепляются прочными связями к катализатору. Один или несколько атомов-выступов образуют активный центр.

Прикрепившись к двум соседним атомам двух активных центров и «устроившись поудобнее», две молекулы — обозначим их АВ и СО — начинают «завязывать знакомство» друг с другом, которое оканчивается разрывом старых связей и образованием новых. Образовавшиеся вновь молекулы АС и ВО покидают затем поверхность катализатора, уступая ее другим парам.

А что если атомы реагирующих молекул не захотят расстаться с поверхностью катализатора? Ведь это вполне возможно. Ответ один — тогда реакция остановится. Или же она будет идти очень медленно, если молекулы АВ и СО, хотя и с неохотой, медленно, но все же будут покидать поверхность катализатора, уступая ее другим молекулам. И в том и в другом случае катализатор уже не будет катализатором. Этого не произойдет, если сумма энергий связей реагирующих атомов с катализатором, будет в два раза меньше суммы энергий связей реагирующих атомов между собой. Иначе говоря — если атомы А, В, С и О в два раза легче оторвать от катализатора, чем А от В, В от С и так далее. Это условие называют принципом энергетического соответствия. Только тогда, когда выполняются оба эти условия, то есть принцип структурного и принцип энергетического соответствия, реакция во много раз ускоряется веществом, которое тогда можно будет назвать катализатором.

РАССТАНОВКА КАДРОВ

Здесь понадобилось два активных центра. Зато есть реакции, нуждающиеся в четырех или шести активных центрах. Словом, центров обязательно нужно несколько (не один). Вот почему теория называется мультиплетной. (Мульти — значит несколько).

И весь этот огромный «комбинат», на котором трудится большой «коллектив» химических реакций, разделен как бы на три больших «завода» — по количеству нужных активных центров. Причем «заводы» в свою очередь разделены на «цехи», а те на «бригады». Во главе каждого из «цехов» стоит своя группа катализаторов — свой «руководящий состав». Так реакции присоединения кислорода к олефинам происходят «под руководством» меди и осмия. Окислы хрома, молибдена и ванадия «командуют» отрывом водорода от органических молекул, а металлы — платина, никель, железо и медь, наоборот, его присоединением. Некоторые из них имеют настолько высокую «квалификацию», что могут руководить работой нескольких «цехов» одновременно. Например, платина. Ведь она умеет руководить не только приоединением водорода к олефинам, но и отрывом его от спиртов, может присоединить кислород к молекуле, может лишить любую органическую кислоту ее характерной карбоксильной группы, да мало ли еще что она может!

Это не все. В цехах и заводах, которыми «командуют» катализаторы царит строгий порядок. Каждый завод, каждый цех имеет свой отличительный знак, иначе говоря — индексную группу. Этот знак образован сочетанием тех именно атомов, которые вступают в данную реакцию.

Продолжение следует.

Автор: А. Баландин.

Добавить комментарий

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