Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2008 № 02

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 Мn 2+. Многие реакции в растворах ускоряются ионами гидроксония Н 30+ (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.

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 СО 2необходимо 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.

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.

Еще один очевидный пример поверхностных процессов — коррозия металлов, происходящая на стыке твердого тела, жидкости и газа. Говоря проще, железо будет ржаветь лишь во влажной среде при наличии кислорода. При этом оно окисляется до гидроксида, образуя на поверхности бурую рыхлую массу — ржавчину. Причем в некоторых странах, особенно с влажным и теплым климатом, процесс этот идет столь быстро, что ежегодно в ржавчину превращается до 25 % производимого железа и его сплавов.

Профессор Эртль разобрался в процессах коррозии и предложил ингибиторы — вещества, которые, в противоположность катализаторам, замедляют окислительные процессы. Разработаны им и рецепты антикоррозийных покрытий, которые позволяют значительно уменьшить экономический ущерб, наносимый ржавчиной.

В последнее время на основе исследований Эртля разрабатываются водородные топливные элементы, которые помогут решить проблемы поисков альтернативных источников энергии и избавить автомобили от бензиновых двигателей.

А. ОРЛОВ, научный обозреватель «ЮТ»

Сейчас, когда многим кажется, что нет предела возможностям суперкомпьютеров, даже специалисты, стали забывать, что кроме цифровых вычислительных машин в технике некогда широко применялись аналоговые. Но, похоже, аналоговые вычислительные установки еще не сказали своего последнего слова.

Для начала несколько слов о том, как работают аналоговые вычислительные машины. Представьте, что вам нужно решить классическую задачу о бассейне и двух трубах. Через одну трубу в бассейн вода вливается, через другую выливается, а вам нужно определить, сколько воды окажется в бассейне спустя определенное количество времени.

В школе вы справляетесь с подобными задачами без всяких компьютеров. Несложно, впрочем, составить и программу для подобных расчетов. Тогда нужно будет лишь подставлять исходные данные, и компьютер автоматически даст ответ.

А в былые времена, чтобы отслеживать подобные процессы в реальном масштабе времени, могли создать и вот такую аналоговую схему (см. рис.). Переменное сопротивление R1 представляло собой аналог первой трубы с краном, сопротивление R2 — второй. Течение постоянного тока заменяло течение воды, а заряд конденсатора С показывал объем воды в бассейне. Меняйте, как угодно, величины сопротивлений, и, замеряя величину напряжения на конденсаторе, вы всегда будет знать, сколько воды в бассейне.