Каталізатори. Продовження.

Каталізатори

Найкраще принцип структурної та енергетичної відповідності проводять біокаталізатори – ферменти. У процесі природного відбору з’явилися такі ферменти, поверхня яких дуже точно відповідає за структурним та енергетичним станом реагуючим молекулам. Вони лежать в поглибленнях на поверхні ферменту так само, як деталь, отримана формовкою, лежить у своїй формі.

Поверхня ферменту представляє як би матрицю, форму, яка «штампує» нові молекули. При цьому в промислових реакціях молекула лягає на поверхню каталізатора не цілком, а тільки своєю реагуючою, тобто індексною частиною. У формі-ферменті укладається не тільки індексна частина молекули, але й позаіндексні заступники. Тому, якщо трохи змінити склад молекули, вона може не укластися в заготовлене «ложе» і реакція припиниться. Так, наприклад, фермент уреаза приєднує водень до карбаміду, але зовсім не діє на бутил-карбамід, оскільки більш громіздка бутильна група не поміщається в «штамп», заготовлений для атома водню.

Цікаво, що дія ферменту призводить до такого ж результату, що і дія високого тиску. Наші промислові каталізатори ще дуже недосконалі. Енергія активації в багатьох випадках залишається досить високою. У таких випадках доводиться вдаватися до «жорстких» заходів. Щоб наблизити індексні атоми молекул на відстань дії валентних сил, їх «притискають» один до одного, нерідко піднімаючи тиск в реакційній камері до сотень і тисяч атмосфер. Молекула при цьому спотворюється. «Стовбур» молекули і її «гілки» гнуться, ніби в реакторі бушує лютий ураган. Молекули тісно притискаються, вдавлюються одна в одну.

А біокаталізатори працюють в «м’яких» умовах швидко і чітко, бо особлива форма поверхні дозволяє молекулам і без тиску розташовуватися найзручнішим чином, притискаючись індексними атомами до активних центрів. На активних центрах, на мінімально можливих відстанях і відбувається «склеювання» молекул. Реакції протікають при нормальному тиску і температурах. «Заводам», які «управляються» біокаталізаторами, не потрібна служба техніки безпеки. Там завжди тиша і спокій.

ЛІТОПИС ПЕРЕМОГ

Великі заслуги каталізаторів перед людиною. Вони – її добрі друзі. Вони допомогли їй вирішити багато серйозних проблем. Наприклад, проблему зв’язування азоту. Азот потрібний рослинам у вигляді сполук аміаку і солей азотної кислоти – добрив. Азот потрібний тваринам і людині, бо він утворює найважливішу складову частину білків – амінокислоти. Не буде перебільшенням сказати: азот потрібен людині як кисень, яким ми дихаємо.

Але ж повітря, з якого ми беремо кисень, як відомо, містить 79 відсотків азоту і лише 20 відсотків кисню. Тим не менш, людству, яке живе на дні «океану», що на три чверті складається з азоту, ще не так давно загрожував азотний голод, бо азот повітря безпосередньо не засвоюється організмом. А природні поклади селітри – сполук, що містять азот, – близькі до виснаження. І ось «зловити» атмосферний азот, змусити його прореагувати, наприклад, з воднем, вдалося лише за допомогою каталізатора – заліза, що містить 3 відсотки окислів калію і алюмінію. Так утворюється аміак, а його вже легко перетворити на солі амонію і в інші сполуки, потрібні сільському господарству і індустрії.

Поліетилен спочатку отримували під тиском у кілька сотень атмосфер. Потім була знайдена нова група металлорганічних каталізаторів, і тепер тиск в заводських установках знизився майже до нормального.

Сульфат магнію – один з кращих каталізаторів, що віднімають воду від спирту. Проте додавання в основну масу каталізатора сульфату, що містить радіоактивну сірку, прискорює реакцію ще в два рази.

ВОРОГИ НАШИХ ДРУЗІВ

Їх називають інгібіторами. Іноді – негативними каталізаторами. Вони не прискорюють, а уповільнюють хімічні реакції. Тут теж діє основний принцип мультиплетної теорії. Чим більше структурна та енергетична відповідність інгібітора і каталізатора, тим сильніше уповільнюється дія.

Молекула інгібітора має такі ж розміри атомів і відстані між ними, як молекула – учасник реакції. Тільки в індексній групі вона містить «чужий» атом. Наприклад, якщо молекула містить замість атома кисню атом сірки, то її «архітектура», її будова від цього майже не змінюються. І каталізатор як би обманюється і дозволяє розташуватися в своїх володіннях ворогові. Але інгібітор не вступає в реакцію і міцно влаштовується на поверхні каталізатора, не пускаючи туди інші молекули.

Цікаво, що ціаністий водень і багато сполук сірки, які є сильними отрутами для людини, також швидко отруюють і більшість каталізаторів, блокуючи активні центри.

ДРУЖНІЙ СОЮЗ

Мультиплетна теорія – далеко не єдина спроба пояснити явище каталізу. Якщо підрахувати, скільки для цього розроблено теорій, не вистачить пальців на руках. Але як це не дивно на перший погляд, між ними майже немає ворожнечі. Правда, і особливо дружніх стосунків між ними теж немає. А жаль! Так як при найближчому розгляді виявляється, що претендує кожна з них не на всю каталітичну хімію, а тільки на окремі її ділянки. Ось чому, власне, між ними і немає серйозних розбіжностей.

Так, якщо мультиплетна теорія розглядає деякі положення, загальні для великого числа типів каталітичних реакцій, то електронна теорія вивчає роботу тільки каталізаторів – напівпровідників. Причому найбільш докладно вона досліджує стадію адсорбції (поверхневого поглинання).

Ми вже говорили про те, що реагуючі молекули повинні на якийсь час доторкнутися до поверхні каталізатора. Причому вони не просто механічно стикаються одна з одною, як дві зіткнуті більярдні кулі. На деякий час молекули утворюють з поверхнею каталізатора міцну, майже хімічну сполуку – як кажуть хіміки, адсорбуються. Так от, електронна теорія і розглядає, зокрема, найбільш докладно особливості процесу адсорбції на каталізаторах, які є одночасно напівпровідниками. Напівпровідники складають досить солідну частину відомих нам безсумнівно каталізаторів, але все ж тільки частину.

Безсумнівно, що в майбутньому різні теорії каталітичних процесів зав’яжуть між собою більш тісні зв’язки, а з часом і об’єднаються в єдину теорію каталізу, яка зробить людину повноправним господарем більшості хімічних явищ.

ДО КОСМІЧНИХ ШВИДКОСТЕЙ

Прийде час, коли людина навчиться створювати такі каталізатори, які не поступатимуться ферментам. Вже зараз ведуться досліди зі створення штучних біокаталізаторів.

Давно відомо, що при пропущенні парів води через шар розпеченого коксу, утворюється окис вуглецю і водень. А їх можна перетворити на жирні кислоти і жирні спирти, з яких в принципі можливо отримати харчові жири, наприклад, вершкове масло. Відшукавши «розумні» і досконалі каталізатори, ми зуміємо отримувати вершкове масло без допомоги примхливої рогатої «фабрики» – корівки. Якщо ми не навчилися поки обходитися без її послуг, то, у всякому разі, вже зараз можемо підвищити її продуктивність, повною мірою забезпечивши її багатим і різноманітним кормом. Для цього потрібні добрива хороші і різні, потрібні гербіциди, інсектициди та інші помічники врожаю. А до всього цього має пряме відношення каталітична хімія.

Перші автомобілі рухалися зі швидкістю велосипеда. Сучасні літаки літають швидше звуку. Наш вік – вік космічних швидкостей. Ось так само і в хімії. З тих пір як людина познайомилася з каталізатором, швидкості промислових хімічних реакцій переступили звуковий рубіж. Нові каталізатори зроблять хімію – хімією космічних швидкостей.

Автор: А. Баландін.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *