Chemia

Kataliza

Mało można by chyba znaleźć zjawisk, które posiadają tak szerokie, jak kataliza zastosować nie i tak są jednocześnie mało znane. Wiemy dobrze, że bez umiejętności stosowania katalizatorów nie moglibyśmy na większą skalę produkować ani kwasu siarkowego, ani amoniaku, ani benzyny syntetycznej, ani innych ważnych wytworów przemysłu chemicznego. Kataliza jest więc jednym z podstawowych zjawisk chemicznych.

Liczne monografie o katalizie i jeszcze liczniejsze artykuły w czasopismach naukowych i technicznych przerażają śmiałka, który chciałby otrzymać odpowiedź na pytanie: co- to jest katalizą? Znajdzie tam mnóstwo szczegółów, kilometrowe nazwy, opisy i bardzo dokładne przepisy, dotyczące składu katalizatora, sposobu jego preparowania, warunków w jakich ma być stosowany, ale nie znajdzie odpowiedzi na pytania: jaki proces elementarny warunkuje to zjawisko oraz w jaki sposób powiązane są ze sobą cechy charakterystyczne katalizatora i reakcje, przy jakich jest używany.

Usilne wertowanie literatury naukowej doprowadza upartego poszukiwacza do odnalezienia prób odpowiedzi na postawione przez nas pytania, prób zaledwie, ale próby te mają swoją wagę w powodzi, licznych co prawda, ale nie powiązanych wspólny koncepcją, czysto empirycznych obserwacji.

Zanim przejdziemy do bliższej charakterystyki prac dotyczących katalizy, na początku musimy zwrócić uwagę na świadomie przez nas wprowadzone zwężenie tematu.

Jak wiadomo, reakcje katalityczne dzielimy na dwie obszerne grupy: reakcje katalityczne jednorodne, w których substancje biorące udział w reakcji i katalizator stanowią jedną fazę i reakcje katalityczne niejednorodne, zachodzące przy zetknięciu substratów reakcji (tj. substancji podlegających reakcji), występujących w stanie ciekłym lub gazowym, ze stałym katalizatorem. W terminologii polskiej te ostatnie reakcje nazywamy kontaktowymi.

W dalszym ciągu podane będą próby interpretacji tylko reakcji kontaktowych.

Pierwsze obserwacje reakcji, zachodzących w sposób „korzystniejszy“ w obecności ciał zwanych katalizatorami, sięgają końca XVIII wieku. Wśród badaczy tego zjawiska można wymienić wybitnych uczonych: Davy’ego, Kirchhoffa, Gay-Lussaca, Ampere‘a, Dobereinera i Faradaya.

Berzelius (1836 r.) jednak był pierwszym, który potrafił z obserwacji licznych reakcji katalitycznych wywnioskować, że warunkuje je jakiś wspólny, nieznany proces. Właśnie Berzelius‘owi zawdzięczamy po za pierwszą definicją katalizy, również wprowadzenie samej nazwy.

Badania nad prędkością, z jaką zachodzą reakcje chemiczne, rzucają nowe światło na zjawisko katalizy. Ostwald (1888 r.) podkreśla, że katalizatory są to substancje, które jedynie powiększają szybkość reakcji, nie biorąc w niej udziału i nie zmieniając jej charakteru.

Powoli jest poznawane zjawisko katalizy. Prace doświadczalne nad przyleganiem różnych substancji do powierzchni ciał stałych, nad adsorpcją, jak ten proces nazywamy, i rozważania teoretyczne Langmuira odnośnie tego zjawiska, przyczyniają się do zrozumienia, że adsorpcja odgrywa niezmiernie ważną rolę w reakcjach chemicznych kontaktowych, tzn. zachodzących przy zetknięciu — „kontakcie“ z katalizatorem, występującym w stałym stanie skupienia. Adsorpcja zachodząca na powierzchni kontaktu, według poglądu jednych uczonych, warunkuje wzrost stężenia substratów. Według zaś innych tworzą się na kontakcie przejściowe produkty reagowania substratów z substancją oddziaływającą katalitycznie.

Taki był stan naszej wiedzy o katalizie w momencie, gdy gwałtownie rozwijająca się fizyka współczesna z całym jej aparatem doświadczalnym i teoretycznym przystąpiła do ataku na wszystkie dziedziny nauk przyrodniczych.

Punktem wyjścia współczesnych poglądów na procesy kontaktowe jest poparta przez doświadczenie hipoteza Taylora (1926 r.). Powierzchnia stałego katalizatora nie jest jednolita pod względem aktywności katalitycznej, lecz zgodnie z rozumowaniem Taylora rozłożone są na jej powierzchni w sposób nieciągły, aktywne katalitycznie centra.

Postawione przez nas na początku pytanie możnaby teraz dla odmiany sformułować w sposób bardziej związany z praktycznym stosowaniem zjawiska. Jak sporządzić katalizator, bez prób prowadzonych w sposób całkowicie przypadkowy, ażeby mógł służyć do przyśpieszania danej reakcji chemicznej?

Langmuir przeprowadził ciekawe obserwacje odnośnie adsorpcji tlenku węgla na powierzchni metalicznego wolframu. Według Langmuira atomy wolframu przyciągają tylko atomy węgla, skutkiem czego wszystkie cząsteczki tlenku węgla są ustawione atomami węgla w kierunku powierzchni wolframu. Mówimy tu tedy o „orientacji“ w zjawisku adsorpcji („zorientowana“ adsorpcja).

Dalszym krokiem naprzód jest wynik pracy uczonego rosyjskiego Predwoditelewa, z której wynika, że podczas adsorpcji następują przesunięcia czy rozsunięcia atomów w zaabsorbowanych cząsteczkach. Uzasadnia to hipotezę Burka (1926 r.), według której cząsteczka ulegająca adsorpcji nie tylko może być zdeformowana, lecz mogą być zerwane nawet wiązania pomiędzy jej atomami.

Opierając się na wynikach prac doświadczalnych i powyżej omówionych hipotezach, wybitny rosyjski znawca reakcji kontaktowych Bałandin rozwija dalej poglądy na katalizę.

Powierzchnia ciała adsorbującego zawiera według rozumowania Bałandina (1929) różnego rodzaju adsorpcyjnie aktywne punkty. Dany punkt aktywny przyciąga określony atom czy grupę atomów. Gdy punkty aktywne leżą od siebie daleko, substancja wykazuje zdolności absorpcyjne, nie posiada zaś katalitycznych. Gdy zaś punkty aktywne leżą blisko siebie, powierzchnia może działać ka-talizująco. Gdy występują w pobliżu siebie dwa punkty przyciągające dwie różne części tej samej cząsteczki, może zajść zerwanie wiązań między-cząsteczkowych, gdy zaś punkt aktywny działa przyciągająco na atomy, lub grupy atomów dwu różnych cząsteczek, mogą się utworzyć nowe wiązania. W ten sposób powstaje idea multipletów. Bałandina. Multiplet to taylorowskie centrum aktywne, któremu Bałandin przypisuje budowę złożoną. Multiplet składa się z szeregu aktywnych adsorpcyjnie punktów; samo występowanie jednak multipletu na stałym katalizatorze nie wystarcza do tego, ażeby kontakt działał katalizująco. Odległości pomiędzy punktami aktywnymi w multiplecie muszą być odpowiednio dopasowane do odległości atomów w cząsteczce, czy cząsteczkach, które mają podlegać działaniu katalizującemu.

Leave a Comment

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *