Катализ

(По вопросам истории катализа см. работы [235- 237].- Прим. ред.)

Своим быстрым развитием физическая химия обязана не только научным, педагогическим и организаторским способностям Оствальда, но и его работам, посвященным катализу.

Каталитические процессы и каталитическое действие некоторых веществ наблюдались и даже использовались уже давно. В конце XVIII в., например, было обнаружено каталитическое действие селитры при получении серной кислоты. Однако смысл этого явления тогда не был понят.

Оствальд, по собственному его признанию, прочитал много "старинных трудов по химии и физике, чтобы почерпнуть знания во всех областях физической химии из первоисточников". Он был знаком с определением каталитической силы, которое дал Берцелиус, и знал о дискуссии, развернувшейся по этому поводу между Берцелиусом и Либихом. Либих выступал против определения Берцелиуса, считая его умозрительным. Оствальду были известны также работы Р. Майера и Г. Гельмгольца о превращениях энергии, и именно в этом аспекте он рассматривал каталитические явления.

Оствальд определял катализатор как вещество, "которое изменяет скорость реакции, но не входит в состав конечного продукта реакции". Сущность катализа ученый видел не в том, что катализатор вызывает реакцию, а в том, что он ускоряет ее. Катализатор представляет собой вещество, которое побуждает к большей активности молекулы реагентов и тем самым способствует увеличению выхода продуктов превращения в течение данного периода времени. Таким образом, Оствальд обращал внимание на скорости химических процессов и их измерение.

К концу XIX - началу XX вв. важное значение катализаторов для неорганических и органических процессов становилось все яснее. К этому времени были открыты катализаторы нового типа - органические ферменты^*. Кроме того, уже в XIX в. промышленность начала ориентироваться на использование катализаторов, например при контактном способе производства серной кислоты или при синтезе аммиака. Так, ученик Оствальда Г. Бредиг изучил действие металлов в коллоидном состоянии, назвав их неорганическими ферментами (1899 г.). Годом раньше Поль Сабатье и Жан Батист Сандеран установили, что никель и другие металлы могут быть использованы как катализаторы при гидрировании органических веществ. В начале XX в. изучением хода каталитических реакций начал заниматься русский химик В. Н. Ипатьев. Он исследовал каталитическое действие оксидов металлов при высоких давлениях и температурах и в 1910 г. установил, что при использовании смеси катализаторов их действие усиливается.

^* (Иными словами, биокатализаторы.- Прим. ред.)

Долгое время развитие работ в области катализа происходило, в сущности, чисто эмпирическим путем, так как оставался неизвестным механизм действия катализатора. Поэтому химикам необходимо было испытывать большое количество соединений, чтобы выбрать из них те, которые могли бы служить катализаторами. Таким способом было открыто и использовано много веществ, обладающих каталитическими свойствами. В первом десятилетии XX в. немецкий химик Ф. Габер открыл каталитический способ синтеза аммиака (под давлением) из атмосферного азота и водорода. Во втором десятилетии XX в. немецкие химики К. Бош и А. Митташ предложили промышленный метод синтеза аммиака, используя смесь катализаторов - железо, глинозем (оксид алюминия), едкое кали (гидроксид калия) - при очень высоких давлениях и повышенных температурах. Почти в то же время (1913 г.) немецкий химик Ф. Бергиус приступил к каталитическому гидрированию угля под давлением. Его соотечественники Ф. Фишер и Г. Тропш создали в 1925 г. названный впоследствии их именами способ каталитического гидрирования монооксида углерода с получением смеси углеводородов. С 1934 г. этот способ стал использоваться в промышленном масштабе для получения топлива^*.

^* (Более подробно с историей разработки отдельных химико-технологических способов получения важных для практики веществ можно ознакомиться в книге [180, с. 322-366].- Прим. ред.)

В 20-е годы учеными были обнаружены также каталитические процессы в животном и растительном мире: открыто каталитическое действие витаминов и гормонов и понят характер некоторых биологических процессов.