Без универсальных ускорителей мир вокруг нас превратился бы в замедленное кино. Не образуя химических связей с реагирующими веществами, катализаторы искусно управляют динамикой реакций.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(39). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Что мешает веществам реагировать самостоятельно и обходиться без катализаторов? Энергия активации. Молекулам исходных веществ необходимо преодолеть её для запуска взаимодействия. Катализатор же снижает эту энергию. Каталитические реакции могут протекать в жидких и газообразных средах, а также на поверхности твёрдых тел.

Химические ускорители различаются по эффективности, избирательности, а также по масштабам воздействия — от отдельных атомов до гигантских белков-ферментов. Катализатор может выбрать две или более молекул, которым нужна помощь в осуществлении реакции. Он запускает процесс без образования химических связей, после чего отрывается от продукта и прикрепляется к новым молекулам.

Впрочем, есть способ обойтись без катализаторов. В промышленном производстве можно точно настроить температуру, подобрать концентрацию веществ, давление и время контакта реагентов — всё это помогает ускорить процесс, но дорого стоит и очень сложно.

В некоторых ситуациях без катализаторов вообще не обойтись. К примеру, получение аммиака из азота и водорода возможно только при температуре не более 6000°С, а для разрыва тройной связи в молекуле N₂ требуются бóльшие температуры. Это термодинамическое противоречие снимается за счёт специального катализатора, снижающего температуру разрушения тройной связи.

Использование химических катализаторов ещё и экологично. Без них реакции пришлось бы ускорять путём повышения температуры и давления. А это означает сжигание миллионов тонн топлива, что неизбежно увеличило бы вредные выбросы в атмосферу.

Катализаторы позволили значительно снизить расход реагентов. Например, раньше эпоксиэтилен С₂H₄O, важный компонент для синтеза антифриза, получали в три стадии — вместе с вредными побочными продуктами. Катализатор (серебро, активированное хлором) позволил уменьшить количество стадий до одной, а из вредных выбросов осталось лишь немного CO₂. Катализаторы применяются в 85–90% промышленных химических процессов: от пищевой индустрии до каталитической переработки нефти.

Транспортировка реактора гидроочистки нефти

Доля тяжёлых остатков нефти (их ещё называют «дно бочки») в добыче жидких углеводородов со временем будет увеличиваться.

Нефтяные ресурсы истощаются: лёгкой нефти становится всё меньше — приходится выкачивать тяжёлую и высоковязкую. Ключевую роль в её переработке играют ­катализаторы. Увеличение выхода бензина из тяжёлых остатков (мазут) всего на 1% снизит потребность США в импорте нефти на миллионы баррелей в год!

Помимо экономической выгоды стоит сказать и об экологической: одно только удаление серы и азота снижает токсичность выхлопных газов автомобилей в несколько раз. В воздух перестают попадать серная кислота и ядовитые оксиды, образующиеся в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания.

Катализатор гидроочистки

Для удаления атомов N и S и внедрения атомов Н используют катализаторы гидроочистки нефти. Типичным примером такого соединения является дисульфид молибдена MoS ₂ с кобальтом или никелем, покрытый оксидом алюминия Al₂O₃. Самые стойкие к гидрированию молекулы приходится атаковать дорогостоящими катализаторами, в которых молибден заменён на вольфрам.

Дисульфид молибдена

Против термически стабильных серосодержащих молекул в составе нефти применяются вещества на основе палладия и платины. Механика работы таких катализаторов достаточно проста: они приближаются к органической молекуле, содержащей серу, отрывают её, присоединяют к собственному атому металла, а затем отпускают его на свободу в виде сероводорода. При этом химики до сих пор не изучили все тонкости каталитической гидроочистки нефти. А постоянное ужесточение требований к содержанию серы в бензине с каждым днём делает это направление науки всё более актуальным.

Заслуги катализаторов перед экологией не сводятся к перечисленным выше. Существует целая группа химических ускорителей, отвечающих непосредственно за чистоту воздуха (их называют каталитическими нейтрализаторами). Их задача — связывать угарный газ, оксиды азота и серы, а также недогоревшие органические соединения различной природы. Весь этот букет присутствует в выхлопных газах автомобилей и дымах промышленных предприятий. Каталитические нейтрализаторы превращают эти яды в менее токсичные вещества типа H ₂, умеренно вредный углекислый газ CO₂ и уж совсем нейтральную воду.

Оксид ванадия под микроскопическим увеличением

Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор стал чрезвычайно удачным образцом химического инжиниринга и ставится сейчас практически в каждый автомобиль. На пористом керамическом монолите, покрытом тонким слоем платины и родия, проходят трансформацию три главных загрязнителя: CO, NO и несгоревшие углеводороды. Реакции выглядят так:

СО + О₂ = СО₂

С_xH_y + O₂ = CO₂

NO + CO = N₂ + CO₂.

Доля кислорода в этих процессах должна регулироваться, потому что его избыток может пойти на полное окисление угарного газа, и, как следствие, оксиды азота останутся в составе выхлопных газов. Уровень кислорода контролируется лямбда-зондом, который подаёт корректирующие сигналы двигателю о составе топливно-воздушной смеси. Оптимальным является соотношение воздуха и топлива в пропорции 14,7:1.

Рабочий диапазон каталитического нейтрализатора лежит в пределах от 3500 до 6500°С, что создаёт трудности при холодном запуске двигателя.

Непрогретый катализатор не выполняет защитную функцию, и в воздух попадают все три токсичных отхода: СO, NO и С _xH_y. Именно поэтому в некоторых странах (к примеру, скандинавских) запрещено прогревать мотор на холостых оборотах — только в движении. Так быстрее.

Промышленные выбросы, содержащие оксид серы SO ₂, стали причиной кислотных дождей во второй половине XX века. И тогда химики придумали с помощью расплава V₂O₅ каталитически окислять оксид серы (IV) до оксида серы (VI), а затем до жидкой серной кислоты.

Экологические последствия кислотных дождей

Многие промышленные предприятия стали попутно серную кислоту производить! Бороться с NО _x в дымовых трубах пришлось более сложными методами — добавляя восстановитель-аммиак и катализатор на основе оксидов титана и ванадия. Каталитическая реакция в полном виде:

4NH₃ + 4NO + O₂ = 4N₂ + 6H₂O.

Каталитическая химия находится в зените славы — её достижения экономят гигантские ресурсы и помогают бережно относиться к природе. В то же время это одна из самых сложных и малоизученных областей химии, а значит, главные каталитические прорывы ещё впереди.