Chemia

Kataliza

Podstawowym postulatem teorii Bałandina jest konieczność występowania odpowiedniości strukturalnej pomiędzy cząsteczką podlegającą uaktywnieniu i katalizatorem. Można by więc zgodnie z poglądami Bałandina, znając strukturę cząsteczki biorącej udział w reakcji, przewidzieć z góry, jaki kontakt będzie działał katalizująco. Byłoby to bardzo poważne osiągnięcie z punktu widzenia praktycznego.

Zagadnienie związku pomiędzy strukturą kontaktu i jego aktywnością katalityczną jest tematem wielu prac doświadczalnych.

Rubisztejn i Pribitkowa zbadali kilka reakcji organicznych, przebiegających z większą szybkością w obecności krystalicznych katalizatorów. Zmieniając nieznacznie przy pomocy zabiegów mechanicznych odległości atomów w sieci (wartość ta nazywa się stałą sieci) krystalicznego kontaktu i kontrolując te zmiany przy pomocy promieni Rontgena, stwierdzili, że katalityczne oddziaływanie kontaktu zależy od stałej sieci. Badacze ci powiązali ten wynik ze znanymi odległościami atomów w cząsteczkach biorących udział w odpowiednich reakcjach. Usiłują oni, podobnie jak to czyni Ba-łandin, uzasadniać najintensywniejsze oddziaływanie katalizatora „wygodnym“ rozmieszczeniem się zaadsorbowanych cząsteczek substratu na powierzchni kontaktu.

Z innego punktu widzenia badają procesy kontaktowe uczeni angielscy Rideal i Twigg (1939 r.). Tematem ich pracy jest reakcja wymiany w cząsteczkach organicznych atomów zwykłego wodoru— (H) na atomy wodoru ciężkiego (D). Doświadczenia nad jedną z tego typu reakcji doprowadziły uczonych do wniosku, że w badanym przypadku dwuatomowa cząsteczka ciężkiego wodoru (D2) oddaje cząsteczce organicznej tylko jeden atom ciężkiego wodoru i skutkiem tego wytwarza się cząsteczka mieszana wodoru (HD). Wbrew jednak przewidywaniom powstaje za mało cząsteczek mieszanych (HD), a za’ dużo cząsteczek lekkiego wodoru (H2). Jak wytłumaczyć ten wynik?

Wymienieni autorowie podają następującą interpretację. Na powierzchni kontaktu zaadsorbowa-ne są cząsteczki związku organicznego poddawanego procesowi wymiany, przy spełnieniu oczywiście warunku odpowiedniości pomiędzy odległościami atomów w cząsteczkach organicznych i atomów w sieci krystalicznego kontaktu. Cząsteczki ciężkiego wodoru zbliżają się do powierzchni tak pokrytego cząsteczkami organicznymi kontaktu, wciskają się pomiędzy dwie tuż obok siebie zaadsorbo-wane cząsteczki organiczne i zachodzi wymiana pomiędzy. atomami wodoru. W rezultacie obie cząsteczki organiczne zyskują po jednym atomie ciężkiego wodoru, cząsteczka ciężkiego wodoru przestaje istnieć, na jej zaś miejsce zjawia się cząsteczka zwykłego wodoru.

Na osobną uwagę zasługuje praca Beecka, która podobnie jak i praca Bałandina jest w pewnym sensie pionierska. Bałandin wystąpił ze swymi koncepcjami w czasie, gdy zagadnień oddziaływania katalitycznego nie traktowano z punktu widzenia struktury kontaktu. Beeck natomiast zerwał ze wszystkimi drobiazgowymi przepisami, dotyczącymi spoiządzania kontaktu, przepisami do których tak bvli przywiązani chemicy. Beeck sporządza kontakty w sposób wybitnie czysty przez napylanie filmów cienkimi warstewkami metalicznego katalizatora. Napylanie to przeprowadza się w próżni, lub w atmosferze obojętnego gazu, pod bardzo niskim ciśnieniem. Warunki eksperymentowania mogą być z łatwością reprodukowane. Stałe sieci i struktura kontaktu są badane przy zastosowaniu zjawiska ugięcia elektronów. Beeck uwodorniał tą drogą tzw. nienasycony związek organiczny, tzn. przeprowadzał go w nasycony przez tzw. wysycenie nienasyconych wartościowości atomami wodoru. Do przeprowadzania omawianej reakcji używał jako katalizatora metalicznego niklu i różnych metali podobnych do niklu. Doszedł do interesujących wyników. Gdy pierwiastki używane jako kontakty uszeregujemy według rosnącej stałej sieci, okaże się, że ich aktywność katalityczna zmienia się bardzo regularnie. Dla pierwiastków o małej stałej sieci, aktywność jest nieznaczna, rośnie jednak wraz ze stałą sieci, przechodząc przez maksimum przy rodzie, którego nigdy nie podejrzewano o ta-<cą aktywność katalityczną w odniesieniu do badanej reakcji. Przy dalszym wzroście stałej sieci aktywność katalityczna odpowiednich pierwiastków znowu maleje. Okazuje się poza tym, że stała sieci, odpowiadająca maksymalnej aktywności katalitycznej, równa się odległości pomiędzy grupami atomowymi, charakterystycznymi dla cząsteczki organicznej poddawanej badaniu.

Bliższe badania nad cieplnymi procesami towarzyszącymi zjawisku umożliwiają opisanie przypuszczalnego obrazu przebiegu reakcji. Do powierzchni kontaktu, na której zaadsorbowane są atomy wodoru zbliżają się nienasycone cząsteczki organiczne i wychwytują z niej atomy wodoru. Wychwytywanie to jest najdogodniejsze, gdy atomy wodoru są rozmieszczone w odległościach takich, w jakich mają występować w cząsteczce nasyconej.

Doszliśmy znowu do postulatu odpowiedniości pomiędzy strukturą cząsteczki podlegającej reakcji i strukturą katalizatora.

Opisaliśmy powyżej parę metod, przy pomocy których badacze procesów kontaktowych usiłują wykryć mechanizm elementarny tego zjawiska. Celowo nie wchodziliśmy w szczegóły metod doświadczalnych. Dla ścisłości musimy jednak podkreślić, że wszystkie najnowsze metody eksperymentalne fizyki współczesnej były stosowane do badan kontaktowych.^ Czy zagadka katalizy kontaktowej została rozwiązana? Po przez wszystkie omówione przt z nas prace przewija się mvśl o związku pomiędzy aktywnością katalityczną kontaktu i wielkościami strukturalnymi charakteryzującymi z jednej strony cząsteczki podlegające reakcji, z drugiej substancję katalizującą. Trudno w tej chwili przewidzieć w jakim stopniu ta odpowiedniość strukturalna wpływa na reakcje kontaktowe, czy jest to ich podstawowa przyczyna, czy jedna z wielu przyczyn. W każdym razie grupa prac przez nas omówionych, wyprowadza wreszcie naukę c katalizie z czystego empiryzmu, jakże często” zupełnie bezpłodnego.

Leave a Comment

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