Техника - молодёжи 1953-07, страница 18

Химику очень важно

уметь управлять скоростями химических процессов. Ведь часто из-за неумения заставить процесс протекать с нужной скоростью приходится отказываться от промышленного использования важных для практики химических превращений.

Вот пример. Природный газ, очень дешевое и удобное сырье, состоящий преимущественно из метана, может быть окислен кислородом воздуха в метиловый спирт или формальдегид, из которых легко получить множество более сложных соединений. Трудность заключается в том, что процесс окисления газа при умеренных температурах идет слишком медленно, а при нагревании до высоких температур не останавливается на этих ценных продуктах, а неотвратимо идет дальше. Газ превращается в углекислый газ и воду, то-есть, попросту говоря, сгорает.

Практическое осуществление окисления природного газа оказалось очень трудной задачей — только сейчас химики приблизились к ее разрешению.

Немало пришлось поработать химикам, прежде чем они научились получать аммиак из азота и водорода. Реакция между этими газами протекает при обычных температурах настолько медленно* что ее даже нельзя обнаружить, при высоких же температурах, когда реакция идет быстро, молекулы аммиака нестойки, легко разлагаются и потому не могут быть получены в заметном количестве.

Чем объясняется медленность некоторых химических реакций, в частности реакции образования аммиака из азота и водорода?

Для того чтобы могло произойти соединение азота и водорода, молекулы газов должны встретиться, войти в соприкосновение. Расчет показывает, что встречи осуществляются очень часто, и если бы каждая встреча молекул, участников реакции, приводила бы к их соединению, процесс полностью завершился бы за ничтожную долю секунды. Почему же молекулы азота и водорода не реагируют при встрече, что этому мешает?

Дело в том, что хотя атомы водорода и азота способны образовать прочные молекулы аммиака, но в газообразных азоте и водороде свободных атомов нет, они связаны там попарно в молекулы Й_й и N* которые также весьма прочны. Для того чтобы атомы азота могли бы образовать связи с атомами водорода» необходимо прежде всего как-то ослабить, расшатать связи в молекулах азота и водорода.

Для этого Молекулам надо сообщать избыточную энергию, необходимую для достаточного расслабления связи,—тогда молекулы могут реагировать при встрече. Такие молекулы называют активными, а минимальную избыточную энергию, ко-

Доктор химических наук профессор В. А. РОЙТЕР (г. Киев)

Рис. А. ЛЕБЕДЕВА

Богданов Н. из г. Челябинска и Иолдьшенно В, из г. Красноярска просят помочь им разобраться в различных процессах, происходящих при химических реанциях.

торую должны получить молекулы, чтобы стать активными, называют энергией активации. Чем больше энергия активации, тем меньшая доля молекул газа будет ею обладать, тем реже в столкновениях будут принимать участие активные молекулы, тем реже встреча молекул будет заканчиваться соединением.

Для реакции азота с водородом энергия активации очень высока. При умеренных температурах активных молекул в смеси азота с водородом почти нет.

С повышением температуры средняя скорость молекул возрастает и доля богатых энергией молекул, а следовательно и скорость реакции, увеличивается. Повышение температуры является мощным орудием ускорения реакций. Но мы уже ви* дели, что не всегда этим средством можно пользоваться. При повышении температуры выше некоторого предела могут начаться нежелательные процессы или же продукты реакции будут нестойкими.

У химиков есть в руках иной, более тонкий метод ускорения реакций, не связанный с повышением температуры. Ходом реакции можно управлять с помощью так называемых катализаторов. Эти вещества,

будучи введены в реагирующую систему, ускоряют химический процесс, причем сами они остаются химически неизмененными.

Для ускорения реакции образования аммиака из азота и водорода хороший катализатор можно сделать таким образом: сплавить окись железа с небольшим количеством окиси алюминия и окиси калия, раздробить сплав на небольшие куски и восстановить его водородом или азотоводо-родной смесью при невысокой температуре. Получается пористая масса из мелкокристаллического железа, тесно перемешанного с трудновосстановимыми соединениями алюминия.

Пропуская через слой такого катализатора смесь азота и водорода, нагретую до 450—500^йС, то-есть до температур, при которых реакция без катализатора практически не идет, получают аммиак. Этот процесс используется в промышленных установках для синтеза аммиака.

Замечательно то, что катализатор служит годами, и на нем удается синтезировать количество аммиака, во много тысяч раз превышающее вес катализатора.

Применение катализаторов позволяет ускорять реакции порой в тысячи и даже миллионы раз.

Важным свойством катализаторов является избирательность их действия. Так, например, из смеси окиси углерода с водородом, в зависимости от того, какой катализатор применен, можно получить искусственный бензин, спирты, уксусную кислоту, бензол и многие другие продукты.

Эти замечательные свойства катализаторов обеспечили им исключи* тельно широкое распространение в химической промышленности. Производства аммиака, серной и азотной кислот, жидкого горючего, твердых жиров из растительных масел, искусственного каучука, огромного многообразия искусственных органических продуктов зиж-дятсяна применении катализаторов, являются типичными каталитическими производствами.

Огромная практическая ценность явлений катализа неизменно привлекает к ним внимание исследователей. Ведь даже если для того или иного процесса уже известен хороший катализатор, всегда есть надежда найти еще лучший, который позволит повысить производительность и тем значительно удешевить продукцию. А как много замечательных процессов до сих пор не вошло в промышленную практику из-за того, что не найден еще подходящий катализатор.

Из этилового спирта, применяя разные катализаторы, можно получить этилен, бутадиен (для приготовления синтетического каучука эфир и уксусный альдегид (для производства уксусной кислоты).