Каталізатори

Каталізатори

Змішайте порошок йоду і алюмінію. Вони можуть лежати без змін день, два, десять. Йод і алюміній з’єднуються так повільно, що це непомітно для ока. А якщо капнути води? Обережно! Бережіть очі! Сліпучий спалах – і ось вже перед нами нова хімічна речовина – йодистий алюміній. Крапля води в мільйон разів прискорила реакцію його утворення. Як би не тягнув локомотив, поїзд не зрушиться з місця, якщо осі коліс не змащені. Ось чому дію каталізатора – краплі води в нашому прикладі – порівнюють з дією мастила.

Каталізатори… Ми всюди зустрічаємося з ними. Ви їдете на машині – бензин отриманий з нафти за допомогою каталізаторів. Ви одягаєте костюм з синтетичного волокна – і воно виготовлене також за участю каталізаторів. А якщо ви носите одяг зі звичайного природного матеріалу – з бавовни або з вовни? І вони вироблені в природних «лабораторіях» і «фабриках» природи також за допомогою каталізаторів – ферментів. Чотири п’ятих всіх хімічних реакцій, які йдуть на хімічних заводах, і майже всі реакції, які протікають в природі, – ось область дії каталітичних реакцій.

Як же знаходити найсильніші, найефективніші прискорювачі хімічних процесів? Вчені давно вже намагаються відповісти на це питання. Висунуто кілька теорій для пояснення дії каталізаторів. Одна з них – мультиплетність, запропонована А. Баландіним ще в 1929 році. Ця теорія дозволяє не тільки пояснити, а в ряді випадків і передбачити каталізатор, заздалегідь вибрати з великого числа можливих той, який найкраще прискорює потрібну нам реакцію.

Основне в мультиплетній теорії каталізу – це принцип структурної та енергетичної відповідності між каталізатором, з одного боку, і реагуючими молекулами, з іншого. Що це означає?

НАЙНИЖЧИЙ ПЕРЕВАЛ

Щоб потрапити з однієї долини в іншу, треба перевалити через гірський хребет. Не кожній людині це під силу. Доведеться витратити багато енергії. А можна вчинити по-іншому – пошукати перевал нижче.

Щоб молекули могли вступити в реакцію одна з одною, вони повинні володіти якимось мінімальним запасом енергії, так званої «енергією активації». Для досягнення цього рівня, речовину потрібно нагріти. А можна поступити навпаки – знизити енергію активації. Це завдання і виконують каталізатори. Але щоб зрозуміти, як це, можливо, потрібно з’ясувати, що ж таке сама енергія активації.

Кожна молекула володіє дивовижною і в той же час абсолютно природною здатністю «дружити» з іншими молекулами і атомами, з’єднуватися з ними. Число комбінацій таких «дружніх пар» величезне. Так, наприклад, водень може приєднатися і до етилену, і до пропілену, і до бензолу, і до молекул інших речовин. Проте зробити це все ж не дуже просто. Справа в тому, що відстань, на якій атоми здатні проявляти свої хімічні властивості, – інакше кажучи, радіус дії валентних сил – дуже мала, приблизно в сто мільйонів разів менше сантиметра. Власні ж розміри органічних молекул набагато більше цієї величини.

Органічна молекула схожа на дерево. Стовбур його утворюють атоми вуглецю, з’єднані між собою, а гілки – бічні ланцюжки – теж з атомів вуглецю, але коротше, часто в поєднанні з іншими атомами – азотом, киснем, сіркою і так далі. А листя – атоми водню. Тому, щоб дістатися до «яблука», тобто до того атома, який саме і вступає в реакцію з атомами іншої молекули, доведеться потрудитися і затратити значну енергію. А ще ж треба «зірвати яблуко» – розірвати старі зв’язки – це теж вимагає енергії. Все разом це створює на шляху реакції бар’єр. Згадаймо порівняння, з якого розпочато ця главу. Щоб молекули могли з’єднатися, вони повинні піднятися з «долини» і зустрітися на «перевалі». І варто пошукати перевал нижче. Каталізатори, як старі досвідчені провідники – горяни, знають, де переховуються ці перевали. Вони беруть молекулу «за руку» і… Чому обов’язково «за руку»? Хіба не можна йти просто поруч? Ні. Саме тут і криється секрет дії каталізаторів. На відстані вони безсилі.

ЛЮБИТЕЛІ КОМФОРТУ

Втім, мабуть, краще порівняти каталізатор з факіром, оскільки вистачить навіть короткочасного дотику його до молекули, щоб вона різко змінила свої властивості.

Для перетворення аміаку і кисню в азотну кислоту досить пропустити їх суміш через реактор з такою швидкістю, щоб молекули цих речовин пробули на поверхні каталізатора – нагрітої платинової сітки – всього одну стотисячну частку секунди. Що ж відбувається за цю мить?

Нехай у нас лежить на столі десяток більярдний куль. Якщо покласти зверху ще одну кулю, то вона або «влаштується» у поглибленні, яке утворюють три сусідніх кулі, або провалиться у «виїмку» між ними. Щось в цьому роді спостерігається і в каталізі. Існуй надсильний мікроскоп, в якому були б видні навіть атоми, на поверхні каталізатора ми побачили б безліч атомів, розташованих на строго певній відстані один від одного і утворюючі, таким чином, виїмки й опуклості. Крім того, досить часто зустрічаються і більш глибокі виїмки, коли окремі атоми на поверхні каталізатора чому-небудь відсутні. Іншими словами поверхня каталізатора має досить складний «рельєф». При цьому кожному каталізатору властивий свій «рельєф» залежно від розмірів атомів і відстаней між ними.

Але ж і реагуючі молекули – будь то молекула рідини чи газу – теж мають свій «рельєф», хоча і більш гнучкий, оскільки тут відстані між атомами можуть трохи збільшуватися або скорочуватися, як якби атоми-«кульки» були з’єднані пружинками. Така рухливість має свої межі. Тому зручніше розташується на поверхні каталізатора та молекула, розміри атомів якої і відстані між ними будуть близькі відповідним розмірам і відстаням у каталізатора, тобто «виступи» реагуючої молекули будуть збігатися з «виїмками» каталізатора і навпаки.

Часто каталізатор наносять на іншу речовину – вугілля, азбест… Іноді додають спеціальні речовини – промотори, які є як би каталізаторами каталізаторів, різко змінюючи їх властивості. Або піддають каталізатор радіоактивному опроміненню, обробці високою температурою і розчинниками. За допомогою цих методів змінюють «рельєф» поверхні каталізатора, тобто роблять все для того, щоб молекула могла розташуватися на поверхні каталізатора якомога зручніше. При цьому атоми реагуючої молекули, влаштовуючись у виїмку, прикріплюються міцними зв’язками до каталізатора. Один або декілька атомів-виступів утворюють активний центр.

Прикріпившись до двох сусідніх атомів двох активних центрів і «влаштувавшись зручніше», дві молекули – позначимо їх АВ і СО – починають «зав’язувати знайомство» одна з одною, яке закінчується розривом старих зв’язків і утворенням нових. Утворені знову молекули АС і ВО покидають потім поверхню каталізатора, віддаючи її іншим парам.

А що якщо атоми реагуючих молекул не захочуть розлучитися з поверхнею каталізатора? Адже це цілком можливо. Відповідь одна – тоді реакція зупиниться. Або ж вона буде йти дуже повільно, якщо молекули АВ і СО, хоча і з небажанням, повільно, але все ж таки будуть покидати поверхню каталізатора, віддаючи її іншим молекулам. І в тому і в іншому випадку каталізатор вже не буде каталізатором. Цього не станеться, якщо сума енергій зв’язків реагуючих атомів з каталізатором, буде в два рази менше суми енергій зв’язків реагуючих атомів між собою. Інакше кажучи – якщо атоми А, В, С і О в два рази легше відірвати від каталізатора, ніж А від В, В від С і так далі. Ця умова називають принципом енергетичної відповідності. Тільки тоді, коли виконуються обидві ці умови, тобто принцип структурної і принцип енергетичної відповідності, реакція у багато разів прискорюється речовиною, яку тоді можна буде назвати каталізатором.

РОЗСТАНОВКА КАДРІВ

Тут знадобилося два активних центра. Зате є реакції, які потребують чотирьох чи шести активних центрів. Словом, центрів обов’язково потрібно кілька (не один). Ось чому теорія називається мультиплетною. (Мульти – значить декілька).

І весь цей величезний «комбінат», на якому трудиться великий «колектив» хімічних реакцій, розділений як би на три великих «заводи» – за кількістю потрібних активних центрів. Причому «заводи» у свою чергу розділені на «цехи», а ті на «бригади». На чолі кожного з «цехів» стоїть своя група каталізаторів – свій «керівний склад». Так реакції приєднання кисню до олефінів відбуваються «під керівництвом» міді та осмію. Окисли хрому, молібдену і ванадію «командують» відривом водню від органічних молекул, а метали – платина, нікель, залізо і мідь, навпаки, його приєднанням. Деякі з них мають настільки високу «кваліфікацію», що можуть керувати роботою кількох «цехів» одночасно. Наприклад, платина. Адже вона вміє керувати не тільки пріоедіненіем водню до олефінів, але й відривом його від спиртів, може приєднати кисень до молекули, може позбавити будь-яку органічну кислоту її характерної карбоксильної групи, та хіба мало ще що вона може!

Це не все. У цехах і заводах, якими «командують» каталізатори панує суворий порядок. Кожен завод, кожен цех має свій відмітний знак, інакше кажучи – індексну групу. Цей знак утворений поєднанням тих саме атомів, які вступають в дану реакцію.

Далі буде.

Автор: А. Баландін.

Leave a Reply

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