Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Долгое время катализ представлял собой смесь науки и искусства; в поисках нужных катализаторов неутомимая армия химиков-энтузиастов перепробовала тысячи различных веществ, в результате были найдены катализаторы, которые успешно работают и в наши дни.

Наиболее интересная сторона катализа – специфичность, т. е. способность вести реакцию в строго определенном направлении. Например, монооксид углерода СО (угарный газ) и водород Н 2в обычных условиях не взаимодействуют. А в присутствии медьсодержащего катализатора происходит следующее. Вначале молекулы СО и Н 2адсорбируются на катализаторе (поглощаются поверхностью), что обозначено пунктиром на рис. 3.5. При этом молекулы водорода разделяются на атомы, оставаясь связанными с поверхностью катализатора. Это и есть самая главная роль катализатора – ослабить связи между атомами в молекуле. К катализатору присоединяется также молекула СО. Образуется переходный комплекс, который перегруппировывается (показано изогнутыми стрелками). Атомы Н присоединяются к атомам С и О, все заканчивается образованием метанола СН 3ОН.

Возьмем те же самые соединения СО и Н 2. Реакция протекает иначе, если заменить медьсодержащий катализатор никелевым. В этом случае на поверхности катализатора распадаются на атомы не только молекулы водорода, но и молекула СО. Затем четыре атома Н присоединяются к атому С, а два атома Н – к атому О. В результате образуются метан СН 4и вода Н 2О (кстати, так можно обезвредить ядовитый угарный газ СО) (рис. 3.6).

Как видно из показанных схем, катализатор в обоих случаях высвобождается.

Каталитические процессы играют огромную роль в нашей жизни. Биологические катализаторы, называемые ферментами, участвуют в проведении биохимических реакций. Без катализаторов не могли бы протекать многие промышленные процессы. Познакомимся с некоторыми интересными исследованиями в этой области.

Вероятно, не существует другого такого химического элемента, который доставил бы человечеству столько хлопот. Необычность ситуации состоит в том, что запасы молекулярного азота N 2громадны, поскольку это основная составная часть воздуха – его содержание в земной атмосфере свыше 78 % по объему, что соответствует 4 × 10 15т. На рисунке 3.7 показаны шары, объемы которых приблизительно соответствуют содержанию основных газов в атмосфере. Для многих, вероятно, окажется неожиданным, что содержание аргона Ar в воздухе заметно выше, чем углекислого газа СО 2.

Почувствовать масштаб запасов азота можно, если принять во внимание, что в атмосфере над каждым квадратным километром земной поверхности находится столько азота, что из него можно получить до 10 млн т аммиака NH 3.

Но человечеству нужен не молекулярный азот, а химически связанный, т. е. входящий в состав различных соединений. Необходимость связать атмосферный азот – заставить его вступить в химическую реакцию – возникла далеко не сразу.

Немецкий химик Юстус Либих (рис. 3.8) в середине XIX в. возглавлял крупнейшую в Европе научную школу химиков. Среди его учеников были видные российские химики: А.А. Воскресенский, Н.Н. Зинин и др. Основным направлением его исследований было получение и изучение новых химических соединений: он впервые описал хлороформ (1831), уксусный альдегид (1835), открыл молочную и другие карбоновые кислоты. Помимо этого, он изучал химию физиологических процессов: например, выдвинул химическую теорию брожения и гниения. Одна из его работ, доставившая много неприятностей, оказалась позже весьма значимой.

Анализируя золу сожженных растений, он установил, что в ее состав входят калий, фосфор, кальций и другие элементы. Рассуждения Либиха были просты и логичны: единственный источник этих элементов для растения – почва, которая постепенно обедняется после многократно собранных урожаев. Следовательно, нужные элементы необходимо добавлять в почву для увеличения ее плодородия. Основные взгляды он изложил в книге «Органическая химия в приложении к земледелию и физиологии» (1840).

Истины, которые нам теперь кажутся совершенно очевидными, вызвали в то время у ряда ученых резкий протест и возмущение. «Это самая бесстыдная книга из всех, которые когда-либо попадали мне в руки», – писал о ней профессор ботаники Тюбингенского университета Г. Моль. «Совершенно бессмысленная книга», – вторил ему известный немецкий писатель Ф. Рейтер, занимавшийся некоторое время сельским хозяйством. Немецкие газеты начали помещать оскорбительные письма и карикатуры на Либиха и на его теорию минерального питания растений. Ситуация осложнялась тем, что ожидаемой эффективности калийно-фосфатные удобрения, предложенные Либихом, во многих случаях не показали. Дело в том, что эти удобрения не содержали еще одного очень важного элемента – азота. Вначале Либих полагал, что азот растения усваивают из воздуха так же, как кислород и углерод (в виде СО 2).

К чести Либиха следует сказать, что у него хватило мужества признать свою ошибку, он сумел ее обнаружить и впоследствии исправить. Постепенно взгляды Либиха стали общепризнанными, что вскоре привело к появлению заводов по производству минеральных удобрений.

Воздадим должное Юстусу Либиху: история химии ко всем его многочисленным заслугам причисляет также создание им новой науки – агрохимии, в основе которой лежит необходимость применения удобрений.

Интересно, что ошибка Либиха была в некоторой степени частичной, поскольку существуют растения (например, горох, клевер, соя), которые могут усваивать атмосферный азот с помощью микроорганизмов, развивающихся в особых клубеньках на корнях этих растений. Такие бактерии, называемые азотофиксирующими, умеют в мягких условиях при обычной температуре и давлении превращать атмосферный азот в химические соединения.