КАК УСКОРЯЮТ
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
Кандидат химических наук Г. ШУЛЬПИН.
Попробуйте зажечь спич-
кой кусочек сахара. Не по-
лучается? Посыпьте сахар
пеплом сигареты и поднеси-
те к нему спичку. Кусок са-
хара обугливается и, по-
трескивая, сгорает. Гово-
рят, что вещества, содер-
жащиеся в пепле, ката-
лизируют реакцию окис-
ления сахара (а горение —
это разновидность окисле-
ния).
Катализатором называ-
ют вещество, которое рез-
ко ускоряет хии..1ческую
реакцию, в ее ходе много-
кратно вступает во взаи-
модействие с разными со-
единениями, но в конце
концов выходит из реак-
ции в первоначальном ви-
де. Это очень сложное, ин-
тересное и весьма важное
явление — катализ.
Как протекает химиче-
ская реакция? Представим
такой пример, где реаген-
тами выступают два веще-
ства. Молекулы одного со-
стоят из частей Аи В,
другого — из частей С и
Б. Обозначим эти вещест-
ва для краткости А—В и
С—V. При их взаимодей-
ствии образуются новые
соединения А—С и В—Б.
То есть молекулы как бы
обмениваются своими ча-
стями.
ДЕ
.У
А-В
К
7
...о]
\
Кт/
?3 «.А1АПИЗАТОРА
,С КАТАЛИЗАТОРОМ
л
А-С
В-О
КООРДИНАТА РЕАКЦИИ
Проиллюстрируем этот
процесс графиком. По оси
абсцисс будем откладывать
расстояния между частями
взаимодействующих моле-
кул в каких-то условных
единицах (это называется
координатой реакции), а по
оси ординат — энергию, ко-
торой обладают молекулы.
В левой части графика у
нас отразится такое состоя-
ние, когда расстояния А—
В и С—Е) малы, а вот рас-
стояния А—В, В—С, А—С
и В—В велики. Это зна-
чит, что в системе присут-
ствуют только молекулы
А—В и С—^. Эти молеку-
лы обладают запасом по-
тенциальной энергии Е 1. В
правой части графика отра-
зится состояние системы,
состоящей из молекул А—
С и В—О. Эти вещества
характеризует энергия Е 2-
Пусть Е 2 меньше Е 1. По
этой причине состояние с
Е2 выгоднее и вещества
А—В и С—О, будучи сме-
шанными, стремятся пре-
вратиться в А—С и В—^.
Вот тут-то и пришло вре-
мя сказать о том, что два
плато с энергиями Е 1 и Е 2
находятся по разные сто-
роны от энергетического
пика,	характеризуемого
энергией Е *. Он соответ-
ствует переходному состоя-
нию, включающему все че-
тыре части А, В, С и О.
Для того чтобы реакция
прошла, она обязательно
должна перевалить через
«энергетический Эверест»,
а молекулы должны при-
обрести дополнительную
энергию ДЕ = Е *—Е1. Эта
разность ДЕ называется
энергией активации.
Скорость реакции зави-
сит от энергии актива-
ции— чем меньше эта вели-
чина, тем быстрее идет ре-
акция. Если ДЕ очень ма-
ла, реакция протекает стре-
мительно, если высока, мо-
лекулы не могут преодо-
леть энергетический барь-
ер и реакция течет миллио-
ны лет, то есть практиче-
ски не идет.
Что же делает катализа-
тор? Он вмешивается в
процесс, образует с исход-
ным веществом промежу-
точный комплекс, для полу-
чения которого нужно пре-
одолеть не такой высокий
барьер. Для перехода от
промежуточного комплек-
са к конечным продуктам
нужно перепрыгнуть тоже
не очень высокую энерге-
тическую горку. Резуль-
тат — реакция идет гораз-
до быстрее.
Промежуточный	ком-
плекс может образовывать-
ся с одним из исходных ве-
ществ, как говорят, акти-
вируя его. Например, хо-
рошо известно, что реак-
ция бромирования бензола
(ее можно провести в хи-
мическом кружке) протека-
ет только в присутствии
катализатора — бромида
железа. Как же работает
этот катализатор? Бромид
железа присоединяется к
молекуле брома, оттягивая
на себя ее электроны (это
обозначается	значком
Вг— ВГ«РеВг3
Таким образом молекула
брома приобретает неболь-
шой положительный заряд
и теперь гораздо охотнее
атакует густо окутанное
электронным облаком бен-
зольное кольцо.
Различают два вида ка-
тализа. Если катализатор
и реагирующие вещества
участвуют в реакции в раз-
личных агрегатных состоя-
ниях (для примера можно
представить реакцию га-
зов, катализируемую твер-
дым веществом), то гово-
рят о гетерогенном ката-
лизе. Именно гетерогенный
катализ имеет место в весь-
ма важных процессах пре-
вращения углеводородов
нефти. В качестве катали-
заторов для таких реак-
ций используют металлы
и их соли, окись алюми-
ния. Благодаря катализато-
рам—соединениям различ-
ных металлов — удается с
большой производительно-
стью получать аммиак из
водорода и азота. Твердые
катализаторы наиболее ча-
сто употребяются в гетеро-
генных процессах, однако
среди этих процессов изве-
стны и такие, когда взаи-
модействие твердых ве-
ществ ускоряется жидко-
> ШКОЛА № 1 — СЕМЬЯ
Химпрактикум
137

стью, например, даже во-
дой. Смешайте на металли-
ческой пластинке порошок
алюминия (он используется
в качестве «серебряной»
краски) и кристаллики йода.
Осторожно добавьте к сме-
си каплю воды, которая вы-
зовет весьма бурную реак-
цию соединения алюминия
с йодом — произойдет
вспышка. Здесь мы наблю-
даем катализ соединения
нескольких веществ. А те-
перь проведите опыт по
каталитическому разложе-
нию вещества. В пробирке
к щепотке двуокиси мар-
ганца (этот черный поро-
шок легко получить, сме-
шав растворы пермангана-
та калия и хлорида двух-
валентного марганца) при-
лейте осторожно раствор
перекиси водорода. Проис-
ходит буриое разложение
перекиси, выделяется кис-
лород, который можно об-
наружить, внеся в пробирку
еле тлеющую лучинку —
она загорится.
А теперь проведем раз-
ложение перекиси водоро-
да катализатором, находя-
щимся в растворе. И раз-
лагаемое вещество и ката-
лизатор — жидкие, то есть
представляют собой веще-
ство в одном и том же аг-
регатном состоянии. Такой
тип катализа называется
гомогенным.
Налейте в стакан свет-
ло-желтый раствор хрома-
та калия. Капните в раст-
вор перекиси водорода. Ра-
створ становится фиолето-
вым (такую окраску ему
придают промежуточные в
этом процессе соединения),
и выделяются пузырьки
кислорода. После того как
разложится вся перекись
водорода, раствор снова
приобретет первоначаль-
ный цвет.
Распад перекиси водоро-
да ускоряется и ионами
железа. Процесс этот
сложный, протекает в не-
сколько стадий.
Первая стадия приводит
к образованию очень реак-
ционноспособного гидрок-
сильного радикала, несу-
щего один неспаренный
электрон (его обозначают
точкой):
вует с другой молекулой
перекиси, получается но-
вый радикал:
Новообразованный	ради-
кал распадается на	про-
тон и анион-радикал	кис-
лорода.
Последний взаимодейству-
ет с ионом трехвалентного
железа,	восстанавливая
его, а сам превращается в
молекулу кислорода:
Как видим, железо выш-
ло из процесса в первона-
чальном двухвалентном со-
стоянии. В этом каталити-
ческом процессе происхо-
дят окислительно - восста-
новительные реакции. Та-
кие превращения именуют
окислительно - восстанови-
тельным катализом.
Другая разновидность
гомогенных каталитиче-
ских процессов — кислот-
но-основной катализ. Сме-
шайте в пробирке или на
дне стакана этиловый
спирт и уксусную кислоту
и нагрейте их. Известно,
что они способны образо-
вать сложный эфир со
своеобразным запахом. Од-
нако реакция требует ка-
тализатора. Без него про-
цесс не идет и запаха
сложного эфира не появля-
ется. Добавьте к смеси
каплю концентрированной
серной кислоты и повтори-
те процедуру. Скоро вы
почувствуете приятный за-
пах этилацетата.
н г +
СНд-С-ОН ^ СН3-С-ОН
о	I- он ¦
||с2н5он
1^5-О	1 [С2Н5-Огн^ "I
сн^-с-он2и^ сн3-<|:-он
бн ^ 1. он ]
снгс-о-с2н5
о
Этот радикал взаимодейст-
138
В чем же заключается
роль серной кислоты? Что-
бы ответить на этот воп-
рос, нам придется разо-
браться в происшедшей
реакции. Она не проста и
протекает в несколько ста-
дий. Первая стадия — при-
соединение протона от сер-
ной кислоты к кислороду
уксусной кислоты, связан-
ному с углеродом двойной
связью (см. рисунок). В
результате образуется про-
межуточное	соединение
(все промежуточные не-
устойчивые продукты за-
ключены на рисунке в
квадратные скобки). Это
соединение присоединяет к
центральному углеродному
атому молекулу этилового
спирта. Движущая сила та-
кого превращения — взаи-
модействие положительно-
го заряда на атоме углеро-
да кислоты и свободной
электронной пары на атоме
кислорода спирта. Следую-
щий этап — перескок про-
тона на другой атом кисло-
рода. После этого от обра-
зовавшегося вещества от-
щепляется молекула воды.
Процесс заканчивается вы-
брасыванием протона из
получившегося соединения
и образованием молекулы
этилацетата. Как видим,
протон, вступивший на пер-
вой стадии в водоворот
химических превращений,
на последнем этапе из него
вернулся целым и невреди-
мым. Поэтому-то мы и
можем говорить, что имеем
дело с каталитической ре-
акцией..
Протон, соединивший
две молекулы кислоты и
спирта, тут же принимает-
ся за сшивание другой па-
ры молекул. В этом про-
является характерная осо-
бенность любой каталити-
ческой реакции: для ее осу-
ществления требуется го-
раздо меньше катализато-
ра, чем это следует из
уравнения реакции.
А вот характерная осо-
бенность только что ра-
зобранной реакции: на всех
стадиях получения сложно-
го эфира исходные вещест-
ва и продукты соединены
направленными в обе сто-
роны стрелками. Это зна-
чит, что из этилацетата
под действием той же сер-
ной кислоты можно полу-
чить этиловый спирт и ук-
сусную кислоту. Только в
этом случае, чтобы сдви-
нуть равновесие в нужную
сторону, следует удалять
из реакционной смеси об-
разующийся легкокипящий
спирт.