Книга: О времени, пространстве и других вещах

Глава 16 Те, кто всегда поторапливают

<<< Назад
Вперед >>>

Глава 16

Те, кто всегда поторапливают

В одной из моих первых научно-популярных статей, предназначенных для широкого круга читателей (как давно это было, кажется, в далеком Средневековье), упоминалось о «ловких волшебниках-катализаторах».

Дочитав до этой фразы, мой редактор замер, причем вовсе не от восхищения (хотя, откровенно говоря, я ожидал именно этого — сравнение казалось мне необыкновенно удачным). Но он обратил на меня суровый взгляд и непререкаемым тоном изрек: «В науке нет ничего волшебного. В ней могут быть загадки, тайны, иногда необъяснимые; но никакого волшебства!»

Думаю, вы поймете, как неприятно было мне получить урок — и от кого? — от редактора! Но тем не менее, урок был хорош, и я его запомнил.

Но каким образом можно описать работу катализаторов, не призывая на помощь волшебство? Проблема!

Одним из первых опытов, выполняемых начинающим химиком в лаборатории высшей школы, является получение кислорода путем нагрева хлорноватокислого калия (бертолетовой соли). Если бы нагреву подвергалась только бертолетова соль, кислород, конечно, выделялся бы, но медленно при сравнительно высоких температурах. Поэтому начинающий химик получает указание прежде всего добавить немного двуокиси марганца. Когда нагреву подвергается смесь, выделение кислорода идет быстро и при сравнительно низких температурах.

В чем же заключается роль двуокиси марганца? Это вещество не участвует в реакции и после ее завершения остается в неизменном количестве. Но его присутствие ускоряет производство кислорода. Оно поторапливает реакцию, то есть является катализатором.

Но как можно объяснить этот эффект присутствия? Возможно, молекулы действуют на расстоянии? Или они осуществляют экстрасенсорное воздействие на бертолетову соль? Таково влияние ауры двуокиси марганца? Что это? Телекинез? Или нечто аналогичное? Короче, без волшебства тут не обошлось.

Что ж, давайте разберемся…

Я начну с самого начала (вы, конечно, заметили, что я всегда стараюсь так поступать) и первым делом скажу, что на протяжении веков химикам очень не хватало катализатора.

Алхимики древности искали методы превращения металлов в золото. Это им не удавалось, и потерпевшим очередную неудачу ученым казалось, что в проводимых ими реакциях чего-то не хватает. А ученые, обладавшие более богатым воображением, считали, что следует отыскать вещество для добавления в нагреваемую смесь (уж не знаю, из чего она состояла), которое заставит золото появиться. Небольшого количества такого вещества будет достаточно, чтобы получить много золота; после чего это вещество, вне всякого сомнения, можно будет использовать снова.

Это вещество никто никогда не видел, однако его описывали как нечто сухое, земное. Древние алхимики дали ему название xerion от греческого слова сухой.

В VIII веке алхимией вплотную занялись арабы и назвали этот золотопроизводящий катализатор al-iksir (сухой по-арабски). Когда о XIII веке арабская алхимия добралась до Европы, al-iksir стал эликсиром.

Чтобы убедить общественность, что это сухое твердое вещество, в Европе его назвали «философский камень».

Удивительный эликсир обязан был обладать и другими замечательными свойствами, поэтому постепенно ему стали приписывать способность излечивать любые болезни и даже дарить бессмертие. И со временем алхимики начали говорить об «эликсире жизни».

Веками все, кому не лень, искали философский камень и/или эликсир жизни, но не находили. Когда же катализатор, наконец, был обнаружен, он способствовал образованию не приятно радующего глаз желтого металла, а едкой и чрезвычайно опасной серной кислоты. А вы не знали?

До 1740 года производство серной кислоты было процессом очень сложным, длительным и дорогостоящим. Теоретически все было просто. Сначала необходимо сжечь серу в кислороде и получить двуокись серы SO2, затем продолжить жечь уже двуокись серы и получить трехокись SO3. Осталось только растворить SO3 в воде, и серная кислота H2SO4 готова. Загвоздка заключалась в том, чтобы заставить двуокись серы соединиться с кислородом. Этот процесс шел медленно и трудно.

В 40-х годах XVIII века английский изготовитель серной кислоты по имени Джошуа Уорд, по всей вероятности, заметил, что селитра (нитрат калия), хотя сама является веществом негорючим, заставляет углерод и серу гореть намного активнее. (В действительности углерод, соединяясь с селитрой, образует порох.) Он начал добавлять селитру в горящую серу и обнаружил, что теперь может получать достаточное количество трехокиси серы без особых проблем и изготавливать серную кислоту просто и дешево.

Самым удивительным было то, что после завершения реакции селитра оставалась в первоначальном количестве и не изменяла свои свойства. Уорд запатентовал свое изобретение, а стоимость производства серной кислоты резко упала и составила 5 % от первоначальной.

Волшебство? Нет, пожалуй.

В 1806 году два французских химика, Шарль Бернар Дезорм и Никола Клеман, предложили объяснение этому процессу. Выдвинутый ими принцип просуществовал до наших дней.

Судя по всему, когда сера и селитра горят вместе, двуокись серы взаимодействует с частью молекул селитры и образует сложное соединение. Кислород переносится из «селитровой» части соединения к серной, после чего молекулы разрушаются и образуется уже трехокись серы.

То, что осталось (фрагменты селитры минус кислород), отбирают недостающий кислород из атмосферы. Восстановленные молекулы селитры готовы снова взаимодействовать со следующими молекулами двуокиси серы и снова передать им кислород. Таким образом, задача селитры заключается в передаче кислорода из воздуха двуокиси серы, причем как можно быстрее. Она является обычным посредником и не изменяется после завершения реакции.

Удивительным фактом является не то, что катализатор ускоряет протекание реакции, не подвергаясь при этом изменениям, а то, что в этом можно заподозрить нечто волшебное. Сталкиваясь с подобными явлениями в повседневной жизни, мы и мысли о волшебстве не допускаем.

Например, вообразите картину: наполовину построенная кирпичная стена, в пяти футах от нее располагается груда кирпичей и емкость с раствором. Если это все, то в промежутке времени между 9 часами утра и 5 часами вечера ничего не изменится (разве что высохнет раствор).

А теперь представьте, что ко всему перечисленному в 9 часов утра добавился еще один фактор — человек в спецовке, стоящий между стеной и кирпичами. В указанное время у него в руках ничего нет. В 5 часов вечера вы сможете увидеть человека стоящим на том же самом месте: в руках у него опять ничего нет, сам человек не изменился, но кирпичная стена теперь выстроена целиком. А груда кирпичей исчезла.

В данном случае человек выполнил роль катализатора. Реакция произошла только благодаря его присутствию, при этом он внешне не изменился.

У нас ведь и мыслей о волшебстве не возникает, не так ли? Если бы мы наблюдали за каменщиком весь день, то видели бы, как он берет кирпичи и кладет их на стену. То, что не является волшебством для каменщика, не волшебство и для селитры.

В XIX веке были открыты и другие аналогичные вещества. К примеру, в 1812 году русский химик Готлиб Сигизмунд Кирхгоф…

Здесь я немного отвлекусь, в очередной раз положившись на бесконечное терпение и неиссякаемое чувство юмора моих уважаемых читателей.

Вы, наверное, подумали, что, назвав Готлиба Сигизмунда Кирхгофа русским химиком, я совершил грубую ошибку. Совершенно очевидно, что никто с таким именем не может быть русским. Но это зависит от того, какой аспект национальности рассматривать — этнический или географический.

Я обязательно объясню, что имею в виду, но для этого давайте вернемся к началу XIII века. В это время территорию Курляндии и Ливонии, расположенных на юго-восточном побережье Балтийского моря (современные Латвия и Эстония), населяли последние язычники Европы. Это было время крестовых походов, и немцы, жившие поблизости, считали своим священным долгом истребить слабо вооруженных и неорганизованных варваров ради спасения их душ.

Ливонские рыцари в содружестве с присоединившимися к ним в 1237 году тевтонскими рыцарями к концу XIII века завоевали все балтийское побережье и установили там управление своих экспедиционных сил.

Тевтонские рыцари осуществляли управление только на протяжении двух веков, после чего были разбиты поляками в 1460 году. Шведы под предводительством Густава Адольфа одержали победу в 1620 году; а в 1720 году шведов потеснили русские, во главе которых стоял Петр Великий.

Однако независимо от политических течений, флагов и монархов, за здоровье которых провозглашали тосты законопослушные местные жители, эта земля принадлежала «балтийским баронам» (они же балты), которые были говорящими по-немецки потомками тевтонских рыцарей.

Петр Великий активно стремился ближе познакомиться с жизнью западных стран. Он построил свою новую столицу Санкт-Петербург[10] рядом с границей Ливонии и относился к балтам с большим уважением.

Такая же ситуация сохранилась в XVIII и XIX веках: в это время балты сохраняли большое влияние в Российской империи, совершенно непропорциональное их небольшой численности. Поэтому их влияние не могло не коснуться и русской науки.

Дело в том, что народное образование в России далеко отставало от западного. Сменявшие друг друга цари не видели никакого смысла в обучении широких народных масс. По-видимому, они инстинктивно понимали, что не слишком умное и погрязшее в коррупции правительство может спокойно себя чувствовать, только если население будет оставаться темным и необразованным.

Поэтому даже те немногие представители русской элиты, которые хотели получить светское образование, были вынуждены отправляться за границу, особенно если они стремились заниматься наукой. Но ехать за границу — это всегда непросто. Приходится изучать чужой язык, новые обычаи, традиции. Более того, Русская православная церковь считала всех представителей западного мира еретиками, что было немногим лучше, чем язычники. Связи с языческими обрядами (например, наукой) трактовались в лучшем случае как опасные. В худшем можно было заработать проклятие. Поэтому отправлявшийся учиться на Запад русский должен был преодолеть немалые религиозные препоны.

Балты сохранили немецкую культуру, по религиозным убеждениям они были лютеранами и не были ограничены подобными запретами. Также как и немцы, жившие на территории Германии, они были хорошо образованы и активно занимались наукой, особенно в XVIII–XIX веках.

Вот почему среди великих русских ученых XIX века присутствуют люди, носящие такие имена, как Готлиб Сигизмунд Кирхгоф, Фридрих Конрад Бейльштейн, Карл Эрнст фон Баер и Вильгельм Оствальд.

Я вовсе не имею в виду, что в этот период у русских не было своих ученых (с русскими именами). Достаточно упомянуть о Михаиле Васильевиче Ломоносове, Александре Онуфриевиче Ковалевском и Дмитрии Ивановиче Менделееве.

Однако официальные лица России явно отдавали предпочтение балтам (которые всемерно поддерживали царское правительство, создававшее им все условия для процветания), а не русской интеллигенции, доставлявшей хлопоты.

Остается только добавить, что в XIX веке немцам было самой судьбой предопределено заниматься наукой. Вероятно, немецкий акцент в русской речи мог считаться признаком причастности к науке. (Прежде чем усмехаться по этому поводу, подумайте, каким был американский стереотип ученого — создателя ракет. Он имел устойчивый немецкий акцент, nicht war? И это несмотря на то, что один из пионеров ракетной техники и космонавтики, давший немцам основу для дальнейших работ, имел гнусавый выговор уроженца Новой Англии. Вы наверняка поняли, что я имею в виду Роберта Годдарда.)

Так уж сложилось, что Академия наук, существовавшая в Российской империи, оказалась разделенной на русскую и немецкую части, причем ведущей была вовсе не русская.

В 1880 году в академии появилась вакансия специалиста в области химической технологии, на которую претендовали двое: с немецкой стороны Бейльштейн, с русской — Менделеев. Строго говоря, этих двоих людей нельзя было даже сравнивать. Бейльштейн посвятил много лет своей жизни подготовке энциклопедии свойств и методов приготовления нескольких тысяч органических соединений, которые впоследствии обросли многочисленными приложениями и дополнениями и до сих пор считаются библией химиков. Это монументальный труд, показывающий необыкновенное трудолюбие и глубокую компетентность его создателя, но не более того. С другой стороны, Менделеев, создатель Периодической системы элементов, был звездой первой величины, общепризнанным гением.

Тем не менее, официальные лица отдали предпочтение Бейльштейну, который был избран в академию с преимуществом в один голос (десять против девяти).

Поэтому не стоит удивляться, что в последние годы, когда русским, наконец, удалось отвоевать по праву причитающееся им место под солнцем, они все делают как-то чересчур… Должно быть, стараются наверстать упущенное.

Но вернемся к предмету нашего разговора.

На протяжении XIX века было открыто довольно много ускорителей химических реакций. В 1812 году русский химик Готлиб Сигизмунд Кирхгоф обнаружил, что, если кипятить крахмал в воде, добавив туда небольшое количество серной кислоты, образуется глюкоза. При отсутствии серной кислоты этого не происходит. Когда же эта реакция идет в присутствии серной кислоты, кислота в ней не участвует и в конце остается в неизменном количестве.

Затем в 1816 году английский химик Хамфри Дэви обнаружил, что пары определенных веществ, например алкоголя, соединяются с кислородом значительно легче в присутствии некоторых металлов, например платины. Водород также легче соединяется с кислородом в присутствии платины.

И снова химики начали экспериментировать с платиной. В 1823 году немецкий ученый Йоганн Вольфганг Дёберейнер создал водородный генератор, который при повороте запорного крана выстреливает струю водорода на полоску платиновой фольги. Водород сразу же вспыхивает. Получившуюся «лампу Дёберейнера» можно считать первой зажигалкой. К сожалению, загрязнения в составе водорода очень быстро портили катализатор, и полоска дорогостоящей платины становилась непригодной к дальнейшему использованию.

В 1831 году английский химик Перегрин Филлипс решил, что если платина ускоряет взаимодействие водорода и алкоголя с кислородом, то почему ей не сделать то же самое для двуокиси серы? Он провел эксперимент и получил патент на открытие. Через несколько лет был открыт метод «отсрочки» порчи катализатора, после чего платину начали с выгодой использовать в производстве серной кислоты, заменив ею селитру Уорда.

В 1836 году эти исследования привлекли внимание шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса, являвшегося в первой половине XIX века некоронованным королем химии. Он предложил термины «катализ» и «катализатор» (от греческого «разложить на составные части»). Очевидно, Берцелиус имел в виду такие примеры каталитических реакций, как расщепление больших молекул крахмала на маленькие молекулы сахаров под действием серной кислоты.

Опыты с платиной внесли в концепцию каталитических процессов новую струю. С одной стороны, это был редкий и ценный металл. С другой стороны, благодаря платине люди снова заподозрили, что в реакциях с участием катализатора все-таки не обошлось без волшебных сил.

Разве можно ожидать, что платина тоже станет посредником, как простая селитра?

На первый взгляд ответ должен быть отрицательным. По сравнению с другими известными химическими веществами платина является довольно инертной, при нормальных условиях она не взаимодействует с водородом и кислородом. Тогда как она может заставить водород и кислород взаимодействовать друг с другом?

Если наш метафорический катализатор каменщик, то платина — каменщик, плотно упакованный в смирительную рубашку.

Значит, мы снова вернулись к волшебству? К действию молекул на расстоянии?

Химики продолжали искать более прозаическое объяснение. У них возникло подозрение, что инертность платины является кажущейся. Атомы платины «держатся друг за друга» со всех сторон; их, судя по всему, это вполне устраивает, поэтому в глубоких слоях платина не взаимодействует с водородом и кислородом, как и с другими веществами.

Но на поверхности металла атомы располагаются рядом с воздухом, возле них уже нет других атомов платины со всех сторон, поэтому они хватают недостающие атомы из тех, что оказались вблизи, — например, водород. Таким образом, на поверхности металла образуется пленка толщиной в 1 молекулу. Она, разумеется, остается невидимой, и мы продолжаем любоваться гладкой, блестящей поверхностью платины, которая на вид совершенно инертна.

Являясь частью поверхностной пленки, кислород и водород реагируют более активно, чем в состоянии газа. Если предположить, что при реакции кислорода и водорода на поверхности платины образуется молекула воды, она будет удерживаться слабее, чем молекула кислорода. В тот момент, когда молекула кислорода ударяется в этот участок поверхности, она заменит молекулу воды в пленке. И сразу появится шанс образования еще одной молекулы воды, и т. д.

Таким образом, платина действительно выступает в роли посредника, образуя на поверхности мономолекулярную газообразную пленку.

Также нетрудно показать, как платиновый катализатор может быть испорчен. Представьте, что существуют молекулы, к которым атомы платины будут «прижиматься» сильнее, чем к кислороду. Такие молекулы заместят кислород в поверхностной пленке, но сами не будут вытеснены атмосферными газами. Они останутся на поверхности платины, и каталитическое действие с участием водорода и кислорода прекратится.

Поскольку для образования поверхностного слоя толщиной в 1 молекулу затрачивается очень мало вещества (при разумных размерах поверхности), катализатор довольно быстро портят примеси, которые неизменно присутствуют в рабочей смеси газов.

Если приведенные выше рассуждения верны, то увеличение площади поверхности катализатора при его неизменном весе одновременно повысит его эффективность. Поэтому платиновый порошок, имеющий обширный поверхностный слой, является намного более эффективным катализатором, чем кусок платины того же веса. Значит, мы можем говорить о поверхностном катализаторе.

Но было сказано о поверхностной пленке, которая ускоряет процесс взаимодействия водорода и кислорода. Хотелось бы ликвидировать любые намеки на волшебство.

Для этого следует понять, чего катализатор сделать не может.

В 1870 году американский физик Джозайя Уиллард Гиббс разработал законы термодинамики применительно к химическим реакциям. Он показал, что существует некое количество так называемой «свободной энергии», которое всегда уменьшается в спонтанной химической реакции, то есть в реакции, которая протекает без поступления энергии.

Так, после начала реакции соединения водорода и кислорода она продолжается до тех пор, пока имеются газы — реагенты, а в результате образуется вода. Мы объясняем это тем, что свободная энергия воды меньше, чем свободная энергия газовой смеси. И реакцию взаимодействия водорода и кислорода с образованием воды можно сравнить со скольжением вниз по «энергетическому склону».

Но если все сказанное верно, почему водород и кислород не реагируют между собой, находясь в состоянии газовой смеси? Почему они так долго медлят на верхней ступеньке энергетической лестницы и вступают в реакцию только после нагрева?

Очевидно, что до начала реакции молекул кислорода и водорода, каждая из которых состоит из двух атомов, одна из них должна быть разрушена на отдельные атомы. А для этого необходима дополнительная энергия. Это и есть верхушка энергетического склона, по которому еще предстоит спуститься. Своего рода «энергетический пригорок». Количество энергии, необходимое для начала химической реакции, называется энергией активации. Эту концепцию впервые выдвинул в 1889 году шведский химик Сванте Август Аррениус.

Когда молекулы кислорода и водорода сталкиваются при обычной температуре, только незначительное их число обладает достаточной энергией, чтобы при столкновении разбиться. Они вступают в реакцию, в результате чего выделяется энергия для расщепления дополнительных молекул. Но дело в том, что одновременно выделяется такое маленькое количество энергии, что она рассеивается раньше, чем используется. В результате водород и кислород при комнатной температуре не реагируют между собой.

Когда температура поднимается, молекулы начинают двигаться быстрее, значительно большее их количество обладает необходимой энергией, чтобы разбиться или разбить другую молекулу при столкновении. (Другими словами, большее число молекул могут перебраться через «энергетический пригорок».) Постепенно высвобождается все больше энергии, и в какой-то момент температура достигает такого уровня, когда высвобождается больше энергии, чем может быть рассеяно. А температура продолжает повышаться, в результате производится больше энергии, что еще больше повышает температуру, и реакция соединения водорода и кислорода сопровождается взрывом.

В 1894 году русский химик Вильгельм Оствальд доказал, что присутствие катализатора не может изменить взаимоотношения свободной энергии. Он не может инициировать реакцию, которая не начиналась без него, он в состоянии лишь ускорить ее протекание.

Иными словами, водород и кислород взаимодействуют и без присутствия платины, но это почти незаметно. Платиновый катализатор лишь ускоряет соединение. При комнатной температуре вода не может разложиться на кислород и водород (без дополнительного поступления энергии, например электрического тока), потому что это означало бы спонтанное движение вверх по энергетическому склону. Присутствие катализатора не может подтолкнуть такое движение. Если мы когда-нибудь обнаружим катализатор, способный на такое, он уж точно будет волшебным. (Или нам придется пересматривать основные законы термодинамики.)

Но как именно платина ускоряет химическую реакцию? В том, что она ее действительно ускоряет, у нас больше сомнений нет. Что происходит с молекулами в пленке?

Оствальд предложил следующее объяснение (которое было принято и существует по сей день). Катализатор ускоряет химическую реакцию, понижая энергию активации, то есть сглаживает «энергетический пригорок». Тогда при данной температуре больше молекул смогут перебраться через «пригорок» и съехать вниз; скорость реакции возрастает, иногда многократно.

Например, два атома кислорода удерживаются в молекуле довольно большой силой притяжения; расщепить такую молекулу далеко не просто, но необходимо для образования молекулы воды.

Когда атом кислорода соединяется с атомом платины, образуя часть поверхностной пленки, ситуация меняется. Способность молекулы кислорода образовывать связи частично используется для соединения с платиной, частично — для удержания двух атомов кислорода вместе. Таким образом, молекула кислорода оказывается «растянутой».

Если атом водорода ударит в такую растянутую молекулу кислорода в поверхностной пленке, он с большей вероятностью разобьет ее на атомы и вступит во взаимодействие с одним из них, чем при столкновении со свободной молекулой в составе газовой смеси. Поскольку молекула кислорода растянута, ее легче расщепить на атомы, и энергия активации будет ниже.

Можно снова прибегнуть к метафоре. Представьте себе кирпич, лежащий на самой верхушке наклонной плоскости. Он легко съехал бы по ней вниз, но для этого ему надо преодолеть силу трения, которая удерживает его на месте в противоположность силе тяжести. В этом примере сила трения аналогична силе, удерживающей вместе атомы кислорода.

Чтобы преодолеть трение, кирпич следует подтолкнуть (сообщить ему энергию активации). Тогда он соскользнет вниз.

Попробуем применить «поверхностный катализатор». Например, поверхность скольжения можно покрыть воском. Если поместить кирпич на такую наклонную плоскость, будет достаточно легкого толчка, чтобы он начал двигаться вниз. Возможно, он съедет вниз и без нашей помощи.

Покрывая воском наклонную плоскость, мы не увеличили силу тяжести и не добавили энергию системе. Мы только уменьшили силу трения (сгладили «энергетический пригорок»), в результате чего кирпич скользит по плоскости легче и быстрее, чем при отсутствии воска.

Думаю, теперь вы убедились, что волшебный туман при свете дня рассеивается, и чудесное слово катализатор лишается своего магического ореола. Именно катализ является основой любого химического производства, а если вспомнить об энзимах, то и основой жизни.

По-моему, ни один разумный катализатор, понимающий это, не пожалеет, что его больше не считают волшебником.

<<< Назад
Вперед >>>

Генерация: 0.740. Запросов К БД/Cache: 0 / 0
Вверх Вниз