В 1821 году уже знакомый нам по «триадам элементов» И. В. Дёберейнер сделал удивительное открытие. Оказалось, что мелкораздробленная платина (из-за своего цвета она называется платиновой чернью) способствует протеканию ряда химических реакций; при этом сама платина не претерпевает изменений.
Дёберейнер обнаружил, что платиновая чернь окисляет пары винного спирта до уксусной кислоты уже при обычной температуре.
Через два года он открыл способность платины при комнатной температуре воспламенять водород. На основании своего открытия Дёберейнер сконструировал «водородное огниво» — прибор, широко применявшийся для получения огня до изобретения спичек.
Со временем были найдены и другие процессы, протеканию которых «помогают», казалось бы, посторонние вещества. На лекциях по химии иногда показывают такой опыт.
Известно, что в чистом кислороде газ аммиак (NH3) горит с образованием азота и паров воды: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O. На воздухе такая реакция практически не идёт.
Нальём на дно тонкостенного стакана несколько капель концентрированного раствора аммиака, из которого газ легко испаряется (это знает всякий, кто нюхал нашатырный спирт).
Поставим стакан на железный лист и будем понемногу всыпать в него из железной ложечки нагретый зелёный порошок оксида хрома Сг2O3. В стакане появляется «огненный дождь» из раскалённых частиц оксида хрома (этот опыт особенно эффектно выглядит в затемнённом помещении).
Известно, что оксид хрома не реагирует ни с кислородом, ни с аммиаком. Почему же его частицы раскалились?
Источник теплоты найти легко: в реакции аммиака с кислородом воздуха выделяется много тепловой энергии, которая и разогревает крупинки порошка. Сложнее ответить на вопрос, почему же реакция вообще пошла, какова роль оксида хрома.
Тут поможет такое соображение: чтобы частицы оксида хрома раскалились, теплота должна выделяться прямо на их поверхности.
Значит, реакция идёт непосредственно на этой поверхности. Поможет нам и анализ продуктов этой реакции.
Оказывается, кроме азота и паров воды образовалось довольно много оксидов азота — это чувствуется даже по запаху.
Значит, реакция шла не совсем так, как при горении аммиака в кислороде а, например, по уравнению 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O.
Вещества, которые способствуют протеканию химических реакций, а сами при этом не расходуются, называются катализаторами. Подавляющее большинство процессов, осуществляемых на химических заводах, являются каталитическими.
Ещё важнее то, что каталитическими являются практически все процессы, протекающие в живых организмах.
Только биологические катализаторы — ферменты способны превратить съедаемую человеком и животными пищу, выпиваемую воду и вдыхаемый воздух в кости, мышцы, кожу, волосы и все органы, их которых состоит тело. Без ферментов вода и углекислый газ — основная «пища» растений — не смогли бы превратиться в цветок или дерево.
В статье «Какие бывают реакции» описано окисление аммиака на раскалённой медной проволоке. Обратим внимание на два обстоятельства во всех этих опытах.
Во-первых, в присутствии Сг2O3 или меди для проведения реакции требовалась более низкая температура.
Во-вторых, среди её продуктов появились новые вещества (в случае аммиака это был оксид азота). Катализатор изменяет механизм реакции и направляет её по более выгодному пути.
Катализатором реакции окисления аммиака может быть и медь. Как можно объяснить действие катализатора?
Часто приводят такое сравнение. Катализатор действует как опытный проводник, который направляет группу туристов не через высокий перевал в горах (его преодоление требует много сил и времени и не всем туристам доступно), а по известным ему обходным тропам, двигаясь по которым можно преодолеть препятствие (гору) значительно легче и быстрее.
Правда, по обходному пути можно попасть не совсем туда, куда ведёт главный перевал.
Но иногда именно это и требуется! Например, нет никакого смысла сжигать аммиак и получать азот, которого в воздухе и так достаточно.
А вот получать окислением аммиака оксид азота необходимо для последующего получения азотной кислоты — очень нужного промышленности вещества: без этой кислоты не сделать ни удобрений, ни лекарств, ни взрывчатых веществ.
Поэтому и ведутся поиски наиболее эффективных катализаторов, направляющих реакцию аммиака с кислородом по нужному пути.
Очень важно отметить существенное обстоятельство в работе любого катализатора. Он способствует протеканию только термодинамически возможных реакций.
В других случаях катализатор бесполезен — против законов природы он пойти не может.
Например, в случае обратимой реакции катализатор не в состоянии изменить положение равновесия, сделать так, чтобы реакция прошла на большую глубину. Зато катализатор может значительно ускорить процесс, сократить время, за которое обратимая реакция достигает равновесия.