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.
А между тем трудно переоценить значение катализаторов в химической промышленности. Важность правильного подбора и приготовления катализатора видна на примере синтеза аммиака. Здесь хорошим и дешевым катализатором оказалось железо, обработанное особым способом. Примесь окиси алюминия во много раз увеличивает каталитическую силу железа. Но и при таком мощном ускорителе синтез аммиака процесс сложный. Он ведется в контактном аппарате: толстостенном цилиндре из высококачественной стали, способном выдержать температуру в 500 градусов и давление 250300 атмосфер. Снизу в аппарат подается смесь азота с водородом в отношении один к трем. Газы проходят сквозь полочки с
катализаторами, расположенными внутри аппарата. На катализаторе они и реагируют, образуя аммиак.
Само собой разумеется, что производительность такого контактного аппарата оставляет желать много лучшего. Химики ищут пути ее увеличения главным образом за счет повышения эффективности катализатора. Советские инженеры-химики разработали метод использования так называемого псевдоожиженного слоя катализатора. Этот способ еще не применялся для реакций, идущих под большим давлением, каковой является реакция синтеза аммиака.
Псевдоожиженный слой особое состояние мелких твердых частиц, как бы кипящих в токе подаваемого снизу газа. Катализатор не лежит на полках, а «кипит» в токе газа, идущего под большим давлением. Ясно, что азот и водород реагируют гораздо полнее здесь, так как, во-первых, в аппарате помещается гораздо больше катализатора; во-вторых, его поверхность значительнее. Ведь он мелко раздроблен, находится в беспрерывном движении, и подход газов к его поверхности сильно облегчен.
В основе действия холодильной машины лежит тот факт, что сжатие газа в ограниченном пространстве ведет к его нагреванию. Охлаждение сжатого газа с последующим расширением дает в результате сильное охлаждение. В качестве хладоагента аммиак применяется потому, что он, как и вода, обладает высокой скрытой теплотой испарения. В холодильной установке аммиак непрерывно нагнетается компрессором в охлаждаемый водой змеевик. Здесь вода отбирает тепло аммиака, выделившееся при сжатии. Он ожижается и через узкое отверстие поступает в другой змеевик, погруженный в крепкий раствор хлористого кальция. Здесь аммиак испаряется, поглощая столько тепла, что вода в сосудах, помещенных в раствор хлористого кальция, обращается в лед.