На главную 44. Каталитическая химия и её методологические основания

Известно, что практически все реакции, являющиеся моделями первых кинетических исследований, проводимых Я. Берцелиусом, Л. Вильгельми, А. Вильямсоном, М. Бертло и другими, были каталитическими, заключающимися в резком изменении скорости химических реакций в присутствии некоторых веществ (катализаторов). Катализ (это понятие было впервые предложено Берцелиусом в 1836) есть особый химический феномен, не имеющий аналогов в физических и, тем более, механических взаимодействиях.
Катализ определяют как изменение скорости химической реакции в присутствии веществ (катализаторов), многократно вступающих в промежуточное взаимодействие с участниками реакции, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Другие ученые рассматривают катализ не только как изменение скорости, но и как возбуждение химической реакции с помощью катализаторов.
Каталитические реакции крайне разнообразны и многочисленны. К ним относятся 1) гетерогенно-каталитические процессы (в том числе, стеночный катализ), происходящие на поверхности катализаторов; 2) гомогенные реакции в растворах со специально внесенным катализатором; 3) реакции в газовой фазе, происходящие при генерировании свободных радикалов на стенке или катализаторе; 4) реакции между жидким и жидким, жидким и твердым, твердым и твердым телами, происходящие путем расслабления исходных связей под влиянием конденсированного состояния. Это основная часть реакций, и, по существу, главный предмет исследования современной химии.
Учение о катализе как одна из основных составных частей третьей концептуальной системы химии коренным образом изменило и цели, и задачи, и структуру химической технологии. Гетерогенный катализ заменил многостадийные процессы прямыми, что значительно упростило технологию и обеспечило высокие экономические эффекты производства, позволил использовать нефтяные углеводороды в качестве сырья химической промышленности. Без катализа не были бы возможны такие технологические процессы, как синтез углеводородов из водяного газа, многие реакции олефинов и ацетилена, синтезы каучука, аммиака и многие другие.
Создание в 1920-х годах Н. Н. Семеновым, С. Н. Хиншельвудом и их сотрудниками теории цепных разветвленных реакций сразу же привлекло внимание технологов. Ни одна теория до этого не предоставляла химику таких широких практических возможностей, как теория цепных реакций. Были созданы методы, позволяющие инициировать реакции, ускорять их, замедлять и даже останавливать на любой желательной стадии.
Технологическим следствием исследований в области цепных реакций явилась разработка процессов синтеза полиэтилена, полистирола, поливинилового спирта, поливинилхлорида, полиакрилатов, усовершенствование процессов синтеза каучука и т.п. С этой теорией тесно связано развитие и таких разделов химической технологии, в основе которых лежат процессы пирогенетического разложения веществ, теплового взрыва, радиационной химии, термического крекинга нефти, процессы горения в самом широком смысле, в том числе процессы “самораспространяющегося высокотемпературного синтеза” (СВС), продуктами которого являются карбиды, силициды, бориды и другие соединения переходных металлов.
Эмпирически уловленное ускорение химических реакций, безусловно, способствовало осмыслению самого понятия скорости и направлению исследований в кинетическое русло. Можно сказать, что исследование явления катализа катализировало развитие химической кинетики.