Михаил Левицкий - Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Интересная деталь: сосчитать, как меняется количество особей каждого вида в течение времени, непросто; Эртль, будучи ученым, просто взял статистику того, как изменялось со временем количество шкурок зайцев и рысей, сданных в компанию Hudson’s Bay.

Картину, похожую на ту, что показана на графике, Эртль обнаружил, изучая окисление СО на платиновом катализаторе с использованием современных спектральных методов. В результате он установил, что в тот момент, когда на отдельных участках каталитической поверхности концентрация СО превышает определенную величину, происходит перестройка поверхности катализатора (рис. 5.26).

Процесс изменения поверхности обратим, и при снижении концентрации СО до величины 0,2 моль/л поверхность приходит в прежнее состояние. Перестройка поверхности несколько отстает по времени от изменения концентрации СО, как и в случае с поголовьем рысей и зайцев. В итоге можно наблюдать, как по поверхности катализатора расходятся концентрические волны, что показано на четырех последовательных снимках (рис. 5.27).

Наблюдаемая картина по-своему красива и весьма необычна, поскольку показывает перестройку поверхности твердого тела под действием газообразного реагента. Фактически Эртль обнаружил неизвестное ранее явление – «химические волны» на поверхности катализатора. Проведенное Эртлем детальное изучение механизма этого процесса открывает пути к разработке катализаторов нового типа для подобных процессов.

По разработанной схеме Эртль исследовал много различных каталитических процессов, причем преимущественно таких, которые можно считать основополагающими. Прежде всего, это каталитическое окисление аммиака на платинородиевом катализаторе (процесс Оствальда). С помощью этого процесса перерабатывают основную массу аммиака, синтезированного по способу Габера – Боша.

Эртль исследовал не только все основные стадии, приводящие к получению азотной кислоты:

4 NH 3+ 5 O 2→ 4 NO + 6 H 2O,

2 NO + O 2→ 2 NO 2,

3 NO 2+ H 2O → 2 HNO 3+ NO,

но и все побочные реакции:

2 NH 3+ 2 O 2→ N 2O + 3 H 2O,

4 NH 3+ 3 O 2→ 2 N 2+ 6 H 2O,

4 NH 3+ 6 NO → 5 N 2+ 6 H 2O.

Проведенные Эртлем исследования реакций, происходящих на поверхности, далеко выходят за рамки интересов химической индустрии, найденные закономерности могут быть использованы в описании процессов коррозии (ржавление), в очистке сточных вод и в совершенствовании топливных элементов. Химия поверхности может даже объяснить причины разрушения озонового слоя, поскольку соответствующие реакции протекают на поверхностях кристалликов льда в стратосфере.

Итак, Эртль начал разрабатывать свои экспериментальные методы, взяв за основу технологии полупроводниковых производств. В свою очередь, созданные им изящные, необычайно тонкие приемы исследования – установки для получения высокого вакуума, приемы для получения сверхчистых поверхностей – оказались нужны в современной электронике и дали толчок развитию новых полупроводниковых технологий, которые сейчас стали нормой в производстве микропроцессоров.

Подведем итоги. Г. Эртль не открыл новый класс соединений или реакций, не создал новые катализаторы или лекарства, но показал, как можно детально изучать химические процессы, чтобы потом уверенно ими управлять.

История химии хранит не только результаты замечательных открытий, но и некоторые биографические сведения об их авторах. Рассказывая об основных научных достижениях Д.И. Менделеева, биографы обязательно упоминают, что любимым отдыхом для него было изготовление чемоданов (возможно, это легенда). В результате продавцы различных исходных материалов и полуфабрикатов для изготовления чемоданов полагали, что Менделеев – известный чемоданных дел мастер. Точно так же биографы А.М. Бутлерова всегда отмечают, что он увлекался пчеловодством.

История химии не стоит на месте, она пишется и в наши дни, а потому рассказ о научных достижениях Эртля будет неполным, если не привести некоторые биографические сведения, а также ряд высказываний, ярко характеризующих этого талантливого ученого.

Герхард Эртльродился в 1936 г. в Штутгарте, Германия. С 1955 по 1957 г. учился в Техническом университете Штутгарта, затем в Университете Парижа (1957–1958) и позже в Университете им. Людвига Максимилиана в Мюнхене (1958–1959). В 1986 г. он стал директором Института имени Фрица Габера Общества Макса Планка, который возглавлял до 2004 г. В настоящее время Эртль уже не занимается активной исследовательской деятельностью, за ним сохранена почетная профессорская должность в берлинском Институте Ф. Габера.

Получение Нобелевской премии оказалось для Эртля совершенно неожиданным. Во-первых, за день до этого объявили, что премию по физике получил немецкий ученый Питер Грюнберг, и Эртль был уверен, что еще раз в этом году Германия победить не может и что немецкий ученый премию по химии точно уже не получит. Во-вторых, все журналисты предсказывали победу двум японцам: Сумио Иидзима, который доказал возможность получения нанотрубок из углерода с толщиной стенок в одну молекулу, обладающих большей жесткостью, чем все известные материалы, и Акихису Иноуэ, описавшего свойства металлического стекла из аморфных порошков. Прогнозы журналистов не оправдались.

Итак, Герхард Эртль стал вторым немецким лауреатом в 2007 г. Кроме того, это редкий случай, когда Нобелевская премия в области естественных наук присуждается одному человеку, а не делится между двумя или тремя учеными.

Эртль узнал о присуждении премии в тот день, когда ему исполнился 71 год, и в интервью сказал, что это лучший подарок ко дню рождения.

По мнению коллег, Эртль – блестящий лектор, его доклады на международных конференциях собирают огромные аудитории, куда люди специально приезжают из других стран. Речь Эртля – каскад точных образов, оригинальных и свежих идей. Это чувствуется даже по тому, как он представил свою работу в нобелевском докладе. Яркий рассказ ученый закончил, показав в заключение слайд с изображением картины Ван Гога «Звездная ночь» (рис. 5.28).

Эртль полагает, что знаменитый художник острым глазом давно сумел увидеть в окружающем мире то, что спустя более чем столетие ученые смогли обнаружить на поверхности платины, используя сверхчувствительные спектральные методы (имеется в виду каталитическое дожигание СО).