РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ

РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ В ХИМИИ

прежние времена, когда наука и техника были на низ­ком уровне развития, природа для человека была единственным источником, откуда он брал в готовом виде всё, что ему нужно было для удовлетворения своих потребностей.

Изучая многие годы соединения различных веществ, человек научился с помощью химических реакций превра­щать их в новые материалы, обладающие новыми полез­ными свойствами. Из дерева стали делать бумагу, сахар, уксусную кислоту, спирт. Из воды научились добывать горючий газ — водород, в пламени которого могут распла­вляться многие металлы, и газ кислород, ускоряющий процесс выплавки металлов из руды. Поваренную соль превратили в соду и газ хлор, применяемые для беления тканей и получения кислот, щелочей и других необходи­мых человеку веществ.

Химическая промышленность в наши дни перерабаты­вает миллионы тонн сырья и выпускает огромные количе­ства различных продуктов, необходимых для жизни и раз­нообразной человеческой деятельности. Химики при полу­чении искусственных веществ создают такие условия, каких не существует в природе. Часто бывают нужны силь­ное нагревание, высокое давление, тщательное измельче­ние и перемешивание взаимодействующих веществ. Но и этого в ряде случаев недостаточно, так как химическая реакция и в таких условиях протекает очень медленно.

Нельзя ли ускорить химическое взаимодействие ве­ществ? Можно. Есть особые вещества, которые называют ускорителями реакций или катализаторами. Эти вещества нередко в сотни и тысячи раз убыстряют про­цессы химических превращений веществ. В присутствии катализаторов взаимодействие веществ происходит при более низких температурах.

Ускорителями химических реакций являются такие редкие металлы, как платина, ванадий, вольфрам, молиб­ден, бериллий, рений и др. Они ускоряют химическое взаимодействие как в чистом виде, так и в виде окислов.

Где применяются катализаторы?

Металлургию, химическую, текстильную и другие отра­сли промышленности нельзя представить без серной кис­лоты. Она нужна в любом химическом производстве — при изготовлении различных солей, красок, взрывчатых веществ, при химических анализах и т. д.

Серную кислоту производят искусственным путём. Наиболее трудной и длительной операцией в производстве серной кислоты является окисление сернистого газа. Чтобы ускорить эту реакцию, применяли катализатор в виде мелкораздроблеиной платины. Горячая смесь сернистого газа и кислорода воздуха, проходя над платиной, всту­пает в реакцию. Скорость реакции во много раз больше, чем при отсутствии платины. Но платина дорога и менее стойка против примесей в газах, чем, например, окислы ванадия, или его соединения с серебром и кислородом. Поэтому теперь ВхМесто платины применяется ванадиевый катализатор.

Промышленность и сельское хозяйство нуждаются в азоте. До недавнего времени единственным источником для получения азота и азотистых удобрений служила селитра — соединение натрия с азотом и кислородом. За­пасы селитры в природе невелики. Между тем давно было известно, что в воздухе находятся неисчерпаемые запасы азота. Воздух на три четверти состоит из азота. Только благодаря катализаторам из редких металлов — молиб­дена, вольфрама, цезия, ниобия и урана — удалось полу­чить азот из воздуха, заставив его взаимодействовать с кислородом. При переработке нефти в бензин и другие продукты широко применяются катализаторы из титана, цезия и ванадия. В производстве эфирных масел в каче­стве ускорителя используют бериллий.

Огромное значение приобрели редкие металлы как ка­тализаторы в производстве из древесных опилок сахара, щавелевой кислоты, спирта.

Каким же образом действуют катализаторы? Почему они так сильно увеличивают скорости протекания химиче­ских реакций?

Чтобы разобраться в том, каким образом под влия­нием катализаторов происходит ускорение реакции, необ­ходимо ясно представлять, что такое химическое взаимо­действие веществ (реакция) вообще и как оно происходит.

Рассмотрим какую-нибудь химическую реакцию, на­пример разложения воды на её составные части — водо­род и кислород. При высоких температурах она идёт с до­статочной скоростью, потому что молекулы воды, нахо­дясь в беспрестанном движении, сталкиваются друг с другом с достаточной силой, т. е. они имеют необходимый для разложения запас энергии. Если же встречаются молекулы с малой скоростью движения, то такая встреча не оканчивается разложением молекулы воды.

Скорость реакции определяется тем, сколько столкно­вений в секунду приводит к расщеплению молекул на составляющие их части. Чем больше будет таких столкно­вений, тем больше образуется водорода и кислорода, тем быстрее течёт реакция разложения воды.

Запас энергии, которым обладает молекула, зависит от скорости её движения. Для того чтобы при столкновении произошла реакция, запас энергии должен быть выше какого-то определённого уровня. Чем больше число моле­кул обладает такой энергией, тем выше скорости реакции. Молекулы, обладающие необходимой энергией, можно на­звать активными молекулами. Если абсолютное боль­шинство молекул лишено нужного запаса энергии, т. е. недостаточно активно, то реакция протекает весьма мед­ленно, и для того, чтобы её ускорить, необходимо сооб­щить этим молекулам дополнительно избыточную энер­гию, перевести их из неактивного в активное состояние. Эта избыточная энергия называется энергией активации.

Имеется немало примеров, когда скорость реакции увеличивается благодаря повышению энергии молекул. Самым простым и широко применяемым способом ускоре­ния реакции является повышение температуры.

Но возможен и другой путь повышения активности мо­лекул. Он состоит в том, что ход реакции изменяется так, что она становится возможной при более низком значении энергии активации. Это значит, что для повышения скоро­сти реакции в данном случае не нужно увеличивать энер­гию каждой молекулы, а необходимо лишь снизить барьер активации, т. е. сделать так, чтобы запас энергии, который имеется у молекул, стал достаточным для протекания реакции. Это оказывается возможным, если реакция пой­дёт иным путём — через образование промежуточных продуктов. А этому способствуют катализаторы.

Именно так и происходит ускорение реакции взаимо­действия веществ в присутствии катализаторов.

Мы ещё недостаточно знаем о каталитических реак­циях, чтобы сказать, какое участие принимает каждый катализатор в ходе взаимодействия веществ; но для мно­гих ускорителей известно, что их роль состоит в образова­нии промежуточных соединений с реагирующими вещест­вами, благодаря чему изменяется путь реакции. Катализа­тор входит в состав промежуточного соединения, которое в дальнейшем распадается на продукты реакции, а ката­лизатор освобождается без изменений. Затем он может способствовать дальнейшему разложению веществ.

Рассмотренная нами схема даёт лишь общее представ­ление о том, как протекают каталитические реакции. В действительности же процессы ускорения реакций идут всегда более сложным путём, а катализатор не может участвовать в реакции без конца и постепенно с течением времени теряет свои каталитические свойства.

Катализаторы — это подлинные двигатели многих жизненно необходимых процессов, и учение о них является одной из самых интересных и увлекательных глав химии.