Без универсальных ускорителей мир вокруг нас превратился бы в замедленное кино. Не образуя химических связей с реагирующими веществами, катализаторы искусно управляют динамикой реакций.
РАБОЧАЯ ЛОШАДКА ХИМИИ
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 oС, 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.
КАТАЛИЗ И ЧЁРНОЕ ЗОЛОТО
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!
РЕЦИРКУЛЯЦИЯ ОТРАБОТАННЫХ ГАЗОВ
EGR (Exhaust Gas Recirculation) — система в двигателях внутреннего сгорания, направляющая отработанные выхлопные газы обратно в цилиндры. Это делается для снижения расхода топлива и количества вредных выбросов. Дело в том, что при сгорании топлива азот «крадёт» кислород из топливной смеси. А это уменьшает экономичность и мощность мотора. Повторная подача в цилиндры охлаждённых выхлопных газов снижает температуру — кислород перестаёт реагировать с азотом. В итоге падает расход топлива и количество вредных выбросов, а каталитический нейтрализатор работает эффективнее.
Для селективной нейтрализации вредных выхлопов применяют мочевину (NH2)2CO3. Этот способ получил название AdBlue. Система впрыскивает мочевину порциями в горячий выпускной тракт дизельного двигателя, где она сразу же разлагается:
(NH2)2CO3 = NH3 + HNCO.
Далее аммиак NH3 нейтрализует оксиды азота:
NO + NO2 + 2NH3 = 2N2 + 3H2O.
Преимущество такого метода в возможности использования в дизельных моторах, выхлопные газы которых бедны кислородом, отчего использование трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторов становится невозможно.
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.
Для удаления атомов N и S и внедрения атомов Н используют катализаторы гидроочистки нефти. Типичным примером такого соединения является дисульфид молибдена MoS2 с кобальтом или никелем, покрытый оксидом алюминия Al2O3. Самые стойкие к гидрированию молекулы приходится атаковать дорогостоящими катализаторами, в которых молибден заменён на вольфрам.
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
ЗАЩИТНИКИ ПРИРОДЫ
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 H2, умеренно вредный углекислый газ CO2 и уж совсем нейтральную воду.
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
СXHY + 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 oС, что создаёт трудности при холодном запуске двигателя.
НЕЙТРАЛИЗАТОР
Автомобильные нейтрализаторы впервые внедрили в массовое производство в США в 1975 году. Это стало одной из мер по борьбе с удушающими смогами, которые накрывали мегаполисы с их избытком автомобилей
Непрогретый катализатор не выполняет защитную функцию, и в воздух попадают все три токсичных отхода: СO, NO и СXHY. Именно поэтому в некоторых странах (к примеру, скандинавских) запрещено прогревать мотор на холостых оборотах — только в движении. Так быстрее.
Промышленные выбросы, содержащие оксид серы SO2, 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.
Многие промышленные предприятия стали попутно серную кислоту производить! Бороться с NОX 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.
