Юный техник, 2008 № 02

Профессора Эртля знают во всем мире как одного из отцов катализа. Он не только придумал, как ускорить многие реакции, но и объяснил суть механизма катализации. До него было во многом непонятно, как вещество, которое само в реакции не участвует, может ее ускорить.

Один из опытов, иллюстрирующий суть катализа, выглядит так. Если в открытую колбу, содержащую концентрированный водный раствор аммиака, поместить предварительно подогретую платиновую проволоку, то невооруженным глазом видно, как она нагревается до красного каления и остается в таком состоянии длительное время.

Откуда берется дополнительная энергия для нагрева?

Оказывается, в присутствии платины аммиак взаимодействует с кислородом воздуха. Эта реакция является экзотермической, то есть идет с выделением большого количества тепла. А тепло, как известно, обычно ускоряет течение реакции.

Катализаторы могут быть как твердыми, так жидкими и газообразными. А в некоторых случаях имеет место и аутокатализ, когда процесс ускоряется одним из продуктов реакции. Наблюдать самопроизвольный катализ можно, например, смешав растворы перманганата калия (обычной марганцовки) и сульфата калия. Первоначальная малиново-красная окраска смеси вскоре начинает меняться, причем все быстрее. А причиной тому образующиеся в результате реакции ионы Мn²⁺. Многие реакции в растворах ускоряются ионами гидроксония Н₃0+ (в кислой среде) и ионами ОН— (в щелочной).

Еще существуют гомогенный и гетерогенный катализ, катализационный крекинг… В общем, не случайно на эту тему написаны толстенные тома, а без катализаторов немыслимы многие процессы современного производства. Здесь и борьба с выхлопными газами автомобилей, и нефтепераработка, и производство полупроводников. Даже парниковый эффект и разрушение озонового слоя во многом связаны с каталитическими процессами, протекающими на границе твердых и газовых фаз.

Начало многим из вышеперечисленных исследований и положил профессор Эртль. По словам сотрудника Института катализа СО РАН, доктора химических наук Владимира Городецкого, который несколько лет работал совместно с Эртлем, именно работы немецкого ученого и позволили разобраться, как именно протекает катализ.

Как добыть азот из воздуха?

К реакциям, оказавшимся в поле зрения исследователя, относится, в частности, и синтез аммиака на поверхности железа, а также окисление окиси углерода на палладии. Первый из упомянутых процессов применяется в производстве искусственных удобрений.

Как известно, растения не умеют усваивать азот непосредственно из воздуха. Исключение составляют лишь бобовые, в которых проживают бактерии, умеющие «переваривать» азот и передавать его своим хозяевам уже в связанном виде. Другие же растения приходится периодически подкармливать, например, классическим азотным удобрением — аммиачной селитрой.

Получают же это удобрение на химкомбинатах, используя в качестве основы реакцию Габара-Боша. Она названа так по именам двух нобелевских лауреатов, которые разработали еще в первой половине прошлого века метод синтеза аммиака путем фиксации азота из воздуха. И работы Эртля тоже восходят к 60-м годам XX века, когда он начал изучать и совершенствовать этот процесс.

Окисление же окиси углерода на палладии с целью превращения СО в СО₂ необходимо для обезвреживания угарного газа, возникающего при сжигании топлива автомобильным двигателем.

В исследованиях Эртля на поверхности платины были обнаружены также и реакции особого свойства — колебательные, то есть способные поочередно менять направление подобно тому, как колеблется маятник ходиков. Такие реакции довольно широко распространены в природе; знание их особенностей помогает не только химикам, но и медикам. Используя фотоэлектронную микроскопию, Эртль получил также первые наглядные изображения колебательного процесса.

Борьба со ржавчиной

Правда, и у Эртля были предшественники. Так, еще в начале прошлого века выдающийся американский ученый, лауреат Нобелевской премии Ирвинг Ленгмюр создал теорию катализа, основанную на двух механизмах.

Согласно первому, во время химической реакции молекулы взаимодействуют в адсорбционном слое на поверхности катализатора. Второй механизм назван ударным. Согласно ему получалось, что реакция идет не только на поверхности, но и в самой структуре катализатора.

Поначалу считалось, что именно этот вариант главный, именно он действует в большинстве случаев. Однако Эртлю удалось доказать, что на самом деле работает главным образом именно первый механизм: реакции проходят в основном на поверхности катализатора.

Это стало фундаментальным открытием, которое сегодня имеет большое практическое значение. Во многих процессах катализаторы стали использовать в виде тонких пленок и порошков, имеющих большую площадь соприкосновения с реагирующими веществами, что обеспечивает высокую производительность индустриальных процессов.

Катализатор в выхлопной трубе современного автомобиля.