Техника - молодёжи 1945-09, страница 10

далеко не решена. Работу исследователей по .изучению и подбору катализаторов можно сравнить с путешествием по малоисследованной горной стране. Многие пути в ней уже найдены, взято много неприступных вершин, но еще немало трудностей ожидает путешественников, так как полной карты горной страны у нас еще нет.

Много различных теорий и гипотез, объясняющих явления катализа, создано учеными,

В этих исследованиях большое участие принимают советские ученые.

Член-корреспондент Академии наук СССР А. А. Баландий попытался разработать террию нахождения катализаторов.

В основе теории А. А. Баландина ie ж ит пред положение, что молекулы реагирующих веществ, попавших на поверхность катализатора, могут испытать различные превращения, в зависимости от строения поверхности чудесного ускорителя. Для того чтобы провести химические реакции разложения, соединения или замещения, надо прежде всего разорвать, разрушить прочные, устойчивые молекулы веществ, превратить их в обломки, в группы атомов со свободными связями, которые легко вступают в соединение друг с другом.

Допустим, что химик" поставил себе задачу отщепить, отнять от молекулы этилового или винного спирта молекулу воды. Чтобы осуществить такую реакцию обезвоживания или дегидратации, надо прибегнуть к помощи катализаторов.

Какой же взять катализатор для этой реакции и как его приготовить, чтобы он лучше проявил свое ускоряющее действие?

Работая над изучением свойств катализаторов, ученые заметили, что ускоряющее действие зависит не только от химического состава катализатора, но также и от состояния его поверхности. Активность катализатора тем выше, чем более развита его поверхность. А поверхность всякого вещества увеличи-1вается с повышением его пористости или степени его раздробленности.

В этом легко убедиться из следующего примера.

Один кубический сантиметр гладкого твердого тела имеет общую поверхность в б кв. сантиметров. Разделив этот кубик на восемь равных кубиков, мы получим общую поверхность уже в 12 кв. сантиметров, то есть в два раза больше поверхности .первоначального кубика. Продолжая подобным образом дробить кубики, можно в миллионы раз увеличить поверхность твердого вещества. Так, если кубик в 1 кв. сантиметр раздробить на микроскопические кубики, длина грани которых равнялась бы 0,000001 сантиметра, то общая поверхность этих кубиков достигнет 600 кв. метров!

Обычно один грамм катализатора имеет поверхность, равную нескольким стам квадратных метров, а иногда и тысяче квадратных метров. На такой площади мог бы уместиться фундамент многоэтажного дома.

•Но для активности катализатора важна не только величина, но и строение его поверхности. Ученые выяснили, что ускоряющее действие на течение химических процессов имеет не вся поверхность катализатора, а отдельные «активные точки», возвышающиеся над ней.

Такими «активными точками» могут быть углы и ребра мельчайших кристалликов, из которых состоит поверхность твердого тела, а также отдельные атомы и группы атомов.

Если бы человек имел возможность уменьшиться до размеров молекулы, то есть примерно в десять миллиардов раз,

то он увидел бы₅ что поверхность катализатора выглядит, как горный ландшафт с высочайшими пиками и глубокими пропастями.

По мнению многих ученых, эти «пики» и являются активными центрами катализаторов.

Итак, на неровную поверхность катализатора попали молекулы спирта. Они соприкоснулись с активными центрами, с «пиками горного ландшафта» катализатора. И обладай мы волшебными очками, увеличивающими в миллион раз, мы бы увидели, как молекулы спирта растягиваются в разные стороны. Одни их части-—гидроксильная группа и рядом стоящий атом водорода —- притягиваются ближайшим к ним активным центром, а группа из двух атомов углерода притягивается другим активным центром. В неуловимо короткий срок молекулы спирта оказываются разорванными на две части. Обе эти части неустойчивы. В каждой из них начинает происходить перераспределение химических связей, и в результате вместо одной молекулы спирта получаются две молекулы новых веществ*— газа этилена и воды.

Каталитическая реакция отщепления воды от спирта закончена. Но она смогла произойти только потому, что расстояния между активными центрами катализатора оказались равными расстоянию между гидроксилом и группой из двух атомов углерода, входящих в состав молекулы спирта. А если бы такого соответствия не было? Тогда бы молекула спирта соприкоснулась с активными центрами другими своими частями и распалась на иные обломки, из которых никоим образом не могут возникнуть ни этилен, ни вода.

И действительно, существуют катализаторы с иначе расположенными «пиками», и разрыв молекул спирта происходит на поверхности этих катализаторов в другом месте, а после перестройки новые обломки молекул спирта превращаются не в этилен и воду, а в уксусный альдегид и водород.

Таким образом, зная размеры молекул и расстояния между активными центрами на поверхности катализаторов, можно подбирать катализаторы так. чтобы с активными центрами соприкасались то одни, то другие части молекул.

Активные центры, одновременно притягивающие разные части молекул, Баландин назвал мультиплетами. При разложении спирта таких центров бывает два. В других случаях молекулы реагирующих веществ подвергаются воздействию трех, четырех и более центров. Одновременно возникает много разных обломков молекул, и тогда на поверхности катализатора разыгрываются сложнейшие перестройки нестойких групп и происходят многочисленные химические реакции.

Очень точными и тонкими методами исследования удалось установить, что в кристалликах платины, палладия, иридия, кобальта, никеля, железа, осмия, цинка и рутения активные атомы расположены друг от друга на расстояниях от 1,231 до 1,397 десятимиллионной доли сантиметра. Этот ничтожный промежуток между активными атомдми катализатора лишь Немного больше размеров атома водорода. Поэтому все перечисленные металлы служат хорошими катализаторами для отнимания атомов водорода от сложных молекул.

Таким образом, теория Баландина получила уже опытное подтверждение. Дальнейшее ее развитие приведет к тому, что химик, оперируя таблицами атомных расстояний в кристаллических решетках элементов и различных химических соединений, будет находить чудесные ускорители, которые ему «закажут» инженеры-производственники.

А тому, как надо приготовлять катализаторы, посвящены работы другого советского ученого — члена-корреспондента Академий наук СССР С, 3. Ро-гинского.

Химикам давно уже известно, что ни-кель является ускорителем реакций присоединения водорода. Но странное дело, никелевый катализатор у одних исследователей получался крайне активным: в его присутствии водород жадно присоединялся к этилену и к жидким растительным маслам; у других—-он очень слабо ускорял реакцию присоединения водорода; у третьих —- оказывался совсем малоактивным. Возникло подозрение, что способы приготовления катали-заторов были не одинаковы. Работы Рогинского не только подтвердили это предположение, но и выявили особенно ответственную стадию приготовления катализатора.

Процесс приготовления никелевого катализатора довольно сложен. Химик берет азотнокислую соль никеля, тщательно перекристадлизовывает ее, затем сушит, далее разлагает ее в пламени горелки, при этом из азотнокислого никеля образуется окись никеля. Химик пропускает над этой окисью при высокой температуре струю водорода, в результате получается металлический никель, который и является нужным катализатором.

Согласно взглядам Рогинского, на активность катализатора окажет решающее влияние последняя стадия его приготовления, то есть образование из окиси никеля кристалликов металлического никеля. Эти кристаллики постепенно растут, образуя собственно поверхность катализатора.." Рогинский считает, что реакцию образования этих мельчайших кристалликов нужно проводить таким образом, чтобы вся реагирующая химическая система обладала высоким пересыщением. Этим термином обозначается особое состояние вещества, напоминающее в некоторых отношениях пересыщенный раствор.

Вспомним, что это такое.

Если мы будем чрезвычайно медленно и осторожно охлаждать горячий раствор квасцов, то он будет в конце концов содержать больше растворенных веществ, чем насыщенный раствор при той же температуре. Такой пересыщенный раствор будет находиться в очень неустойчивом состоянии. Стоит только встряхнуть сосуд, в котором он налит, или бросить в него маленький кусочек квасцов, как немедленно произойдет выпадение кристаллов квасцов из раствора, Этот опыт хорошо известен каждому школьнику.

'Вот подобным же образом, с крайней осторожностью при определенной температуре- и давлении, строго соблюдая нужные соотношения между веществами, вступающими в реакцию и образующимися в ее ходе, надо проводить и последнюю стадию приготовления катализатора, то есть реакцию образования кристалликов твердого вещества. Надо, чтобы вся реагирующая система, подобно пересыщенному раствору квасцов, находилась в химически неустойчивом, , неравновесном состоянии. При этих условиях можно получить исключительно активные катализаторы.

Таково в общих чертах современное представление о способах подбора и приготовления чудесных ускорителей. Катализ, по словам одного ученого,— это «страна неограниченных возможностей», обещающая химику, одаренному воображением, знаниями и выдержкой, богатейшую жатву.

И чем более мы узнаем о природе катализа, тем ближе будет день «уборки урожая», ' ^г

8