Картинка Freepik
Весьма интересным явлением является использование катализаторов в химии, которое позволяет осуществлять протекание реакций, в ином случае неосуществимых или протекающих менее эффективно.
В статье ниже мы обзорно рассмотрим тему катализаторов, не особенно глубоко изучая физику и химию протекающих процессов, так как подробное описание этого, для разных случаев заняло бы существенное пространство и вышло далеко за пределы одной статьи, к тому же это может быть не всем интересно и понятно, а заинтересовавшиеся смогут легко найти более подробную информацию в списке приложенной литературы под статьей и не только. Итак…
История катализаторов
Термин катализатор берёт своё начало от греческого слова «разрушение» и впервые был использован шведским химиком Берцелиусом в 1836 году, так как в те времена уже были известны каталитические процессы, наподобие кислотного разложения крахмала до глюкозы (крахмал обрабатывается серной кислотой и в результате образуется глюкоза), а также распад перекиси водорода на воду и кислород в присутствии платины.
Катализаторы использовались человечеством очень давно, хотя в те времена, оно ещё не понимало сути протекающих процессов, скажем в древности, получали вино и уксус с использованием каталитических реакций, в Средние века алхимики получали серную кислоту из серы и селитры, и ещё в XIII веке был получен этиловый эфир, на основе серной кислоты и этилового спирта, а в 1740 году диоксид серы была окислен в присутствии небольшого количества диоксида азота.
Ниже приведена таблица открытий в области каталитических реакций, при этом следует отметить, что практически все перечисленные катализаторы были обнаружены случайно, и в этом деле большую роль сыграла интуиция учёных и исследователей:
Картинка: К.Танабэ – «Катализаторы и каталитические процессы»
Например, больше 100 лет назад русский химик Ильинский работал над получением пигментов ализарина и индиго, где в процессе промежуточным веществом выступает бензолсульфокислота. Химик долгое время безуспешно пытался её получить, нагревая антрахинон до 100°С, в присутствии серной кислоты и делу помог случай: в процессе проведения одного из опытов он случайно разбил ртутный термометр, ртуть из которого попала в реакционную ёмкость, в результате чего и была наконец синтезирована требуемая бензосульфокислота.
При этом было обнаружено, что сама ртуть не расходуется и для успешного протекания реакции достаточно всего лишь капли ртути (но её количество влияет на скорость реакции, — концентрация важна), то есть, она выступает катализатором.
Как было уже сказано выше, в прошлом катализаторы подбирались интуитивно, в результате случайного поиска, где залогом успешного нахождения выступала интуиция и наблюдательность опытного учёного.
При этом даже они не гарантировали быстрого и дешёвого достижения результата, например, для нахождения эффективного катализатора синтеза аммиака немецким учёным Габером и его сотрудниками было перебрано порядка 20000 веществ, а в период с 1910 по 1912 год было проведено порядка 6500 опытов, в ходе которых проанализированы 2500 катализаторов и только после этого был найден требуемый высокоэффективный промышленный катализатор.
Использование катализаторов предоставляет новые возможности по протеканию химических реакций, например, в присутствии хлорида титана и алюминийалкилов происходит полимеризация и получение полипропилена, а скажем, аммиак может быть получен при смешивании азота и водорода, с последующим введением в эту смесь железных опилок.
Или, например, широко известна реакция газообразного водорода и платины (например, в виде сетки), в присутствии которой водород загорается при комнатной температуре, без какого-либо нагрева или поджигания:
Это весьма любопытно и может быть использовано для создания импульсных нагревателей разного типа, где в широких пределах регулируя частоту срабатывания подающей газ форсунки с помощью электроники, можно добиться нужной температуры обогрева (например, для помещений) или, даже в теории ракетных двигателей, как показано ниже (правда, для другого топлива). Кстати, водород и кислород уже успешно используются в ракетных двигателях, например, в российском РД-0120.
Нечто подобное применяется в ракетных перехватчиках, где ракетное топливо (как правило, несимметричный диметилгидразин), импульсно подаётся в камеру сгорания, куда также импульсно подаётся и окислитель (тетраоксид диазота, чистый или в смеси с азотной кислотой, судя по открытой в интернете информации), контакт которых приводит к самовозгоранию смеси. Подобная импульсная подача позволяет гибко регулировать реактивную тягу, что позволяет ракете зависать в воздухе и/или легко перемещаться по X, Y, Z, с зависанием:
Широко известен и эффектный опыт с окислением паров ацетона на медной поверхности, в результате чего происходит образование уксусной кислоты и уксусного альдегида (всё это в газообразном виде, поэтому дышать этим точно не стоит, — пахнет весьма неприятно и это весьма вредно для здоровья). В процессе выделяется существенное количество тепла, что приводит к раскалению меди:
Более безопасный вариант такого каталитического нагревателя всем известен, — туристические каталитические грелки для рук, где на поверхности стеклянной ваты, покрытой гальваническим способом платиной, происходит беспламенное окисление паров бензина (насколько мне известно, с образованием более безопасного углекислого газа), что нагревает грелку, и она сохраняется нагретой до 80-90° C, в течение многих часов (я пробовал со своей грелкой, — от одного пятикубового шприца с бензином, грелка остаётся нагретой в течение порядка 10 часов).
Кратко об основных характеристиках катализаторов
Катализаторы используются во множестве областей жизни, и правильнее будет даже сказать, что существует мало областей, где они не задействованы, — связано это с тем, что сложно получить химически чистые вещества и в той или иной концентрации многие вещества присутствуют в ходе реакций, в качестве, так сказать, сторонних наблюдателей. Однако, использование слов «сторонних наблюдателей» здесь будет не совсем уместным, так как катализаторы всё-таки участвуют в реакции, но их участие характеризуется тем, что они изменяют скорость течения реакций, а после завершения их, — восстанавливаются в неизменном виде. Таким образом, можно сказать, что катализаторы, хотя и присутствуют химических процессах, сами они не расходуются.
При этом правильно будет сказать, что катализаторы меняют скорость реакций, но не влияют на положение химического равновесия, они только изменяют скорость достижения этого равновесия: здесь под химическим равновесием поднимается такое состояние вещества/смеси, где после окончания всех реакций, в определённом объёме содержится определенное количество прореагировавшего вещества/смеси и определённое количество не вступивших в реакцию компонентов. Это соотношение всегда будет одним и тем же, что с присутствием катализатора, что без него, — но использование катализатора ускоряет/замедляет процесс достижения такого равновесного состояния (но, как было показано выше, использование катализатора может приводить к тому, что в результате реакций с его использованием, на выходе могут образовываться другие компоненты, чем в случае без его использования).
В качестве катализаторов могут использоваться совершенно неожиданные вещества, например, английский химик Пристли, проводя эксперименты с продуванием кипящего этилового спирта через трубку с глиной, обнаружил, что выходящий из другого конца трубки газ начинает гореть пламенем бледного белого цвета. Гораздо позже было обнаружено, что это связано с дегидратацией этилового спирта и образованием газа этилена, где катализатором реакции выступает глина, обладающая кислотными свойствами.
При этом, если вместо глины использовать металлы, например, медь, железо, серебро, оксид магния, — то дегидратация этилового спирта протекает с образованием ацетальдегида и водорода.
Или, например, водный раствор сульфата никеля, обладающий нейтральной реакцией, однако при нагревании до 350°, в течение трёх часов, — поверхность соли (видимо предполагается выпадение в ходе такого нагревания соли — прим. автора статьи) приобретает кислотность, сравнимую с кислотностью 50% раствора серной кислоты! Причём это свойство было открыто случайно, и такие кислотные свойства у сульфата никеля ранее не предполагались. При этом полученная соль является катализатором многих реакций, обладает высокой селективностью — подробнее об этом термине ниже.
Катализаторы характеризуются свойством активности, под которой подразумевается его свойство ускорять реакции, а также селективностью, под которой подразумевается его способность ускорять реакции в определённом направлении. Например, в рассмотренном выше варианте преобразования этилового спирта в этилен и ацетальдегид, некоторые катализаторы могут давать степень преобразования 80% вещества в этилен, и 20% вещества — в ацетальдегид, при этом говорят, что селективность катализатора по этилену — 80%, а селективность по ацетальдегиду — 20%.
Таким образом, как нетрудно догадаться, в общем случае проблема разработки нужного катализатора заключается в нахождении/синтезировании такого его типа, который обладает наивысшей активностью и селективностью в нужном направлении (скажем, может наиболее быстро и наибольшее количество этилового спирта переводить в этилен).
Эффективность работы катализатора во времени не является величиной постоянной, и она может снижаться, ввиду того, что катализатор загрязняется примесями, содержащимися в реагирующих веществах, уменьшения площади поверхности, увеличения отложений углерода, физического разрушения и других факторов.
Сложно преувеличить значение катализаторов, так как их использование даёт совершенно новые возможности, например, в 2020 году прошла новость, что был разработан катализатор, позволяющий преобразовывать углекислый газ и воду в этиловый спирт. Катализатор представляет собой медь, диспергированную на подложку из угольного порошка, где в результате электрохимической реакции происходит расщепление CO2 и пересборка в молекулы этанола, при этом селективность такого преобразования превышает 90%, намного опережая любой аналогичный процесс.
Перспективы?
Как можно понять по рассказу выше, поиск эффективного катализатора является сложной задачей и эта ситуация не изменилась даже в наше время. Тем не менее наше время предоставляет неоценимое подспорье для нахождения катализаторов, в качестве которого может выступить, соответственно, обученная нейросеть (по крайней мере, может быть сделана попытка для применения её в такой роли).
Ещё Эйнштейн отмечал, что наибольшим спросом пользуются те люди, которые являются «междисциплинарными» и могут рождать идеи, лежащие на стыке абсолютно не связанных друг с другом областей (сразу вспоминается пресловутый fullstack-разработчик, которого никто в глаза не видел, однако все хотят и все понимают под этим термином разное). Работа в этой области позволит как исследовать глубоко химию, так и прокачаться в технологиях машинного обучения, в результате чего может родиться стартап, настоящий, так называемый «единорог» (по терминологии инвесторов из Кремниевой Долины), продуктом которого может быть генерация веществ с использованием катализаторов, по запросу. Например: «сделай мне катализатор и напиши технологию его создания, для обогрева домов, который можно собрать из доступных в хозмаге материалов, позволяющий покрыть им оконное стекло и генерирующий в ходе экзотермической реакции тепло/электричество, даже от слабых лучей солнца, в ходе преобразования на его поверхности углекислого газа из атмосферы — в….».
И это не «генерить прикольные картинки». Это настоящий стартап XXI века, результаты которого будут как крайне полезны людям, так и серьёзно улучшат материальное положение своего создателя.
Для тех, кто хочет больше прочитать на эту тему, а именно, генерации веществ, с применением технологий машинного обучения, вот здесь на хабре есть хорошая обзорная статья (правда, нужно сделать поправку на то, что статья 2017 года, а с того времени многое изменилось).
Успешное разрешение вопроса генерации веществ с помощью нейросетей — уже само по себе тянет на кандидатскую, а то и докторскую диссертацию (если не больше), да, вызов сложный. Но мы же любим сложные вызовы?;-)
Список использованных источников
К.Танабэ – «Катализаторы и каталитические процессы».
И.М.Колесников – «Катализ и производство катализаторов».
Дж.Андерсон – «Структура металлических катализаторов».
Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️
