Техника - молодёжи 1953-07, страница 20

И окись меди и кислород способны взаимодействовать с окисью углерода. Окиси меди легче, чем кислороду, начать реакцию с СО, для этого требуется меньшая энергия активизации. Но как только началось ослабление связей в молекуле СО за счет воздействия на нее окиси меди, молекула СО стала доступной и для воздействия на нее молекул кислорода. Кислород перехватывает молекулы СО у катализатора, не дав последнему прореагировать до конца с окисью углерода, катализатор начинает реакцию с новой молекулой СО, чтобы вновь ее уступить более сильному конкурент)/ — кислороду—и т. д. К подобному толкованию приближается в той или иной мере большинство современных теорий катализа, но детали явления еще не вполне изучены и каждой теорией рисуются по-разному.

Уже эти общие представления о сущности катализа оказывают помощь в подборе катализаторов. Действительно, мы видим, что катализатор должен быть способен к химическому взаимодействию с веществами — участниками реакции, хотя бы с одним из них, или, как часто говорят, должен обладать химическим сродством с ним. Величина этого сродства должна быть невелика, во всяком случае меньше, чем у участников реакции- друг к другу. Иначе катализатор не сможет оставаться химически неизмененным. В то же время катализатор должен быстрее реагировать с участниками реакции, чем последние между собой.

Какими же должны быть катализаторы, чтобы удовлетворять последнему условию?

Мы уже говорили о том, что молекулы медленно реагируют между собой, если атомы в них прочно связаны друг с другом. Если хотя бы у одной из двух реагирующих молекул не все связи насыщены, то-есть имеется свободный валентный электрон, реакция протекает гораздо легче, энергия активации очень невелика. Как известно, реакции с участием отдельных атомов или радикалов протекают быстро, например: Na+CI₂-^ NaCJ -hCl.

Значительная часть катализаторов и представляет собою вещества, у которых или имеются свободные электроны, или достаточно лишь небольшой затраты энергии, чтобы

Метан вез катализатора окисляется только при высокой температуре, давая углекислый газ ы воду по реакции:

С//₄ + 20» ^ CO., -+- 21Ш

Большинство промышленных катализаторов представляют собой пористые тела. Поверхность таких катализаторов очень велика. Для некоторых катализаторов поверхность одного сл³ катализатора достигает 400 м² и выше. Катализатор, занимающий объем спичечной коробки, имеет поверхность, по площади равную футбольному полю.

В присутствии катализатора кислород присоединяется к молекуле метана, образуя метиловый спирт:

ся₄ + -j о₂ с при

В первом случае к молекуле метана присоединяется две молекулы кислорода, во втором — половина.

электроны освободить. Это большей частью металлы и соединения элементов с переменной валентностью. Электропроводимость, окрашенность, металлический блеск и т. п. являются физическими признаками легкости освобождения у них электронов.

Относительно легко вступают в реакцию и очень полярные молекулы, например состоящие из положительных и отрицательных ионов. Своим зарядом они нарушают симметрию электронной оболочки со

прикасающихся с ними молекул, чем повышают их способность к химическим реакциям.

Этих общих соображений, конечно, еще недостаточно, чтобы можно было чисто теоретически находить нужный катализатор. Требуется гораздо более детальное знание механизма катализа, причем этот механизм, понятно, неодинаков у разных реакций.

Все методы, какими располагают современная физика и химия, используются сейчас для выяснения деталей механизма катализа и особенностей структуры катализаторов. Очень многое уже сделано, особенно трудами советских ученых, исследования которых в области теории катализа бесспорно занимают первое место в мировой науке. Все же теории катализа еще сильно отстает от потребности практики, которой и теперь еще приходится часто итти в той или иной мере эмпирическим путем.

Одним из серьезных препятствий на пути выяснения механизма каталитических процессов являются осложнения, вносимые чисто механическими процессами — доставки веществ к действующей поверхности катализатора и увода продуктов реакции. В большинстве случаев технические катализаторы являются пористыми телами. Такими их изготовляют для того, чтобы увеличить их поверхность. Однако доступ к частям этой поверхности, лежащей в глубине пор, сильно затруднен. Поэтому убыль веществ вследствие реакции в этих глубинных участках может не успевать пополняться извне и часть катализатора не используется. Это, с одной стороны, понижает производительность катализатора, с другой стороны, искажает зависимость скорости процесса от концентрации, температуры и других факторов, которая имеет основное значение для суждения о механизме процесса. ^

Нужно уметь обнаруживать и учитывать эти искажающие явления. Новые экспериментальные методы, разработанные в отделе Института имени Л. В. Писаржевско-го, позволили добиться значительных успехов в этом направлении. Нам удается измерять теперь концентрацию реагирующих веществ не только у внешней поверхности куска катализатора, но и внутри него, благодаря чему можно количественно учесть особенности работы внутренних частей кусков. Это позволяет внести поправки в полученные обычными методами закономерности каталитических процессов и в то же время указывает путь повышения производительности и избирательности технических катализаторов.

Проблема катализа очень важна. Каждый новый шаг по пути разрешения ее вскрывает богатые возможности повышения производительности существующих и создания новых химических производств. В Советском Союзе работы по катализу ведутся широким фронтом, з тесном содружестве научных учреждений с промышленностью. И как ни сложна проблема, недалеко уже то время, когда практика каталитических процессов сможет полностью опереться на теорию. Овладение законами управления скоростями химических процессов приведет к невиданному развитию химической техники.