Путешествие в Страну элементов

В начале столетия химики пытались соединить азот с водородом при помощи высокого давления. Сосуд со смесью этих газов погружали в глубины океана. В 1901 году французский ученый Ле Шателье сконструировал двигатель, в котором азотно-водородная смесь подвергалась давлению до 100 атмосфер. Ученый рассчитывал, что сжатая смесь будет взрываться от электрической искры, обращаясь в аммиак. Опыт не удался: в цилиндр проник воздух, и образовавшаяся гремучая смесь взорвала конструкцию.

Потребовались годы для изучения этой, казалось бы, простой химической реакции.

В 1910 году стало ясно, что успех невозможен без привлечения двух могущественных факторов: температуры и давления. Ученые рассчитали, что максимальный выход аммиака получается при наиболее высоком давлении и наиболее низкой температуре процесса.

Давление можно увеличить до очень больших значений, но температура… Если вести процесс при высокой температуре, выход аммиака ничтожно мал, а если ее снизить до предела, скорость реакции оказывается очень небольшой.

Таким образом, ученые и технологи оказались между Сциллой и Харибдой. Своеобразным голубем, позволившим преодолеть эти препятствия, оказался катализатор — третий мощный фактор.

Что же такое катализатор?

Это вещество, изменяющее скорость химической реакции. Катализатор участвует в реакции, но по ее окончании восстанавливается в первоначальном виде. Большинство химических реакций в природе, в лаборатории, в цехах идет с участием катализатора. Все многообразие каталитических процессов можно свести к двум случаям: катализа гомогенного и гетерогенного. Гомогенный, иначе однородный, катализ имеет место, когда и реагирующие вещества и катализатор находятся в одном и том же физическом состоянии, то есть все они являются или газами, или находятся в растворе. Гетерогенный катализ наблюдается, когда в реакции участвуют неоднородные вещества, скажем газ и твердое тело. Примером такого катализа может служить синтез аммиака.

В чем заключается действие катализатора?

Не просто ответить на этот вопрос. Явление катализа изучено еще далеко не полностью. У исследователей есть различные точки зрения. Здесь мы изложим самую простую и общепринятую. Но прежде чем говорить об изменении скорости химической реакции, надо сказать о том, что же это такое.

Скорость химической реакции характеризуется изменением концентраций реагирующих веществ за единицу времени. Например, попробуйте поджечь обыкновенное стальное перо на воздухе. Это не так просто сделать, даже используя газовую горелку. В крайнем случае вам удастся раскалить его докрасна. А стоит только опустить нагретое перо в банку с кислородом, как оно загорится, разбрасывая искры. Концентрация кислорода в банке в пять раз выше, чем в атмосферном воздухе. Поэтому и скорость взаимодействия железа с кислородом резко возрастает.

Ученые нашли закон о влиянии концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Он называется законом действующих масс и звучит так: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.

Для реакции А + В = С этот закон выразится в следующей формуле: V = К[А][В], где V — скорость реакции, K — константа скорости, [А] и [В] — концентрации веществ А и В.

Для реакции синтеза аммиака N₂ + 3Н₂ ↔ 2NH₃ выражение скорости будет следующим: V = К[N₂][H₂]³.

Какова же роль катализатора в ускорении химической реакции?

При гетерогенном катализе на поверхности катализатора адсорбируются реагирующие вещества. Каждая молекула обладает внешним силовым полем. Если она находится внутри вещества, ее поле скомпенсировано подобными же полями других молекул. У молекулы на поверхности вещества поле с внешней стороны не компенсировано. За счет свободного поля к поверхности тела могут притягиваться частицы из внешней среды. Произойдет адсорбция, поглощение газов, паров и растворенных веществ на поверхности адсорбента.

Итак, в первую очередь катализатор адсорбирует реагирующие вещества на своей поверхности, увеличивает их концентрацию, а тем самым и скорость реакции.

Помимо того, катализатор активизирует адсорбированные молекулы. Они становятся гораздо более энергичными, чем молекулы неадсорбированные, чаще сталкиваются и чаще реагируют. А в общем скорость реакции сильно возрастает.

Надо сказать, что катализатор действует очень избирательно. Он капризен: одну реакцию может сильно ускорять, а на скорость другой не влиять вообще. Подбор определенных катализаторов для реакций — дело сложное. Четко разработанной теории здесь нет.