Страница 27 из 83
Ученые нашли закон о влиянии концентрации реагирующих веществ на скорость химической реакции. Он называется законом действующих масс и звучит так: скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции А + В = С этот закон выразится в следующей формуле: V = К[А][В], где V — скорость реакции, K — константа скорости, [А] и [В] — концентрации веществ А и В.
Для реакции синтеза аммиака N2 + 3Н2 ↔ 2NH3 выражение скорости будет следующим: V = К[N2][H2]3.
Какова же роль катализатора в ускорении химической реакции?
При гетерогенном катализе на поверхности катализатора адсорбируются реагирующие вещества. Каждая молекула обладает внешним силовым полем. Если она находится внутри вещества, ее поле скомпенсировано подобными же полями других молекул. У молекулы на поверхности вещества поле с внешней стороны не компенсировано. За счет свободного поля к поверхности тела могут притягиваться частицы из внешней среды. Произойдет адсорбция, поглощение газов, паров и растворенных веществ на поверхности адсорбента.
Итак, в первую очередь катализатор адсорбирует реагирующие вещества на своей поверхности, увеличивает их концентрацию, а тем самым и скорость реакции.
Помимо того, катализатор активизирует адсорбированные молекулы. Они становятся гораздо более энергичными, чем молекулы неадсорбированные, чаще сталкиваются и чаще реагируют. А в общем скорость реакции сильно возрастает.
Надо сказать, что катализатор действует очень избирательно. Он капризен: одну реакцию может сильно ускорять, а на скорость другой не влиять вообще. Подбор определенных катализаторов для реакций — дело сложное. Четко разработанной теории здесь нет.
А между тем трудно переоценить значение катализаторов в химической промышленности. Важность правильного подбора и приготовления катализатора видна на примере синтеза аммиака. Здесь хорошим и дешевым катализатором оказалось железо, обработанное особым способом. Примесь окиси алюминия во много раз увеличивает каталитическую силу железа. Но и при таком мощном ускорителе синтез аммиака — процесс сложный. Он ведется в контактном аппарате: толстостенном цилиндре из высококачественной стали, способном выдержать температуру в 500 градусов и давление 250–300 атмосфер. Снизу в аппарат подается смесь азота с водородом в отношении один к трем. Газы проходят сквозь полочки с катализаторами, расположенными внутри аппарата. На катализаторе они и реагируют, образуя аммиак.
Само собой разумеется, что производительность такого контактного аппарата оставляет желать много лучшего. Химики ищут пути ее увеличения главным образом за счет повышения эффективности катализатора. Советские инженеры-химики разработали метод использования так называемого псевдоожиженного слоя катализатора. Этот способ еще не применялся для реакций, идущих под большим давлением, каковой является реакция синтеза аммиака.
Псевдоожиженный слой — особое состояние мелких твердых частиц, как бы кипящих в токе подаваемого снизу газа. Катализатор не лежит на полках, а «кипит» в токе газа, идущего под большим давлением. Ясно, что азот и водород реагируют гораздо полнее здесь, так как, во-первых, в аппарате помещается гораздо больше катализатора; во-вторых, его поверхность значительнее. Ведь он мелко раздроблен, находится в беспрерывном движении, и подход газов к его поверхности сильно облегчен.
В жаркий летний день приятно пить холодное молоко и ледяную фруктовую воду, не думать о том, что масло, колбаса и свежая рыба могут испортиться. А для этого нужен только холодильник, который зачастую работает за счет жидкого аммиака.
В основе действия холодильной машины лежит тот факт, что сжатие газа в ограниченном пространстве ведет к его нагреванию. Охлаждение сжатого газа с последующим расширением дает в результате сильное охлаждение. В качестве хладоагента аммиак применяется потому, что он, как и вода, обладает высокой скрытой теплотой испарения. В холодильной установке аммиак непрерывно нагнетается компрессором в охлаждаемый водой змеевик. Здесь вода отбирает тепло аммиака, выделившееся при сжатии. Он ожижается и через узкое отверстие поступает в другой змеевик, погруженный в крепкий раствор хлористого кальция. Здесь аммиак испаряется, поглощая столько тепла, что вода в сосудах, помещенных в раствор хлористого кальция, обращается в лед.
В свое время физические условия на Земле были иными, чем сейчас; большинство современных ученых склонно думать, что на ранней стадии развития Земля обладала не окислительной, как сейчас, а восстановительной атмосферой, содержащей метан, аммиак, водород и воду. Аммиак сыграл, по всей вероятности, не последнюю роль в возникновении жизни.
Земная атмосфера того времени подвергалась действию сильнейших электрических разрядов, высокой температуры, мощного ультрафиолетового излучения. Все это вместе взятое и привело к образованию органических веществ.
В наше время ученый С. Миллер осуществил подобный синтез в лабораторных условиях. Через смесь паров воды, водорода, метана и аммиака он пропускал искровый разряд в течение недели, после чего в сосуде была обнаружена смесь аминокислот (глицин, аланин, аспарагиновая кислота), являющихся составной частью белка.
С появлением растений восстановительная атмосфера Земли стала постепенно превращаться в окислительную. Зеленая масса растений под действием солнечных лучей в течение многих миллионов лет связывает углекислый газ, выделяя кислород.
Еще в середине века ученые догадывались о том, что плодородие почвы связано с «нитрозными соками жизни».
Известный русский микробиолог В. Л. Омелянский писал: «Азот более драгоценен с общебиологической точки зрения, чем самые редкие из благородных металлов». С этим нельзя не согласиться. Ведь азот в конечном счете — хлеб, мясо, молоко, масло.
Ежегодный мировой урожай уносит из почв 25 миллионов тонн соединений азота. Чтобы собрать следующий урожай, который был бы не хуже прежнего, необходимо возвратить почвам изъятый азот.
В 1898 году известный английский физик Крукс предсказывал человечеству смерть от азотного голода. Земля истощается, говорил он; чтобы повысить ее урожайность, необходимо связать азот атмосферы, так как единственные запасы его на Земле в виде чилийской селитры катастрофически уменьшаются с каждым годом.
В том же году по поводу речи Крукса выступил К. А. Тимирязев; он напомнил об опытах Кэвендиша 1783 года, когда тот, пропуская электрические искры через атмосферный воздух, получил двуокись азота.
В начале XX столетия началось интенсивное изучение реакции взаимодействия азота с кислородом.
Эта реакция обратима; ее оптимальные условия — наивысшая температура и обычное атмосферное давление. Казалось бы, просто — раздувай мехи, поддавай жару!
И здесь ученые столкнулись со значительным «но». Оказалось, что окислы азота при медленном охлаждении распадаются на составные части. Равновесие сдвигается влево. Перед инженерами встала задача — быстро охладить окись азота до температуры ниже 1000 °C.
На помощь пришла электрическая дуга. Она создает очень высокую температуру в ограниченной зоне, к которой прилегают слои воздуха с резко пониженной температурой. Образовавшиеся окислы при выходе из зоны электрической искры быстро охлаждаются, не успев распасться на составные элементы.
В 1908 году ученый Биркеланд и инженер Эйде сумели получить при помощи электрической дуги от 4 до 7 процентов выхода окислов азота.