Основные этапы исследования каталитических реакций

Введение

Открытие явления катализа является одним из главных достижений в области химической науки. Оно играет важную роль в развитии современной техники и эффективных технологий. Катализ является основой для функционирования живых клеток и, вероятно, сыграл решающую роль в возникновении жизни на Земле. Без каталитической химии сегодня невозможно представить себе химическую промышленность, в которой более 90% всех процессов основаны на катализе[1]. Катализ - это процесс, который ускоряет химические реакции. Катализаторы, вещества, которые участвуют в катализе, могут значительно повысить скорость реакций, снизить энергетические затраты и даже изменить селективность реакций. Это позволяет сократить время и затраты на производство различных химических продуктов.
Катализаторы применяются в различных областях, включая производство пластиков, удобрений, лекарств, нефтепродуктов и многих других продуктов. Они также используются для очистки отходов и загрязнений, что способствует сохранению окружающей среды. Благодаря катализу, многие сложные и дорогостоящие процессы становятся более эффективными и экономически выгодными. Современные исследования в области катализа направлены на разработку новых катализаторов с улучшенными свойствами. Ученые стремятся найти более эффективные и экологически безопасные катализаторы, а также понять механизмы катализа на молекулярном уровне. Это поможет оптимизировать процессы и создать новые технологии, которые будут способствовать устойчивому развитию и снижению негативного воздействия на окружающую среду.
Катализ - это неотъемлемая часть современной химии и техники. Его значение в научных и промышленных сферах трудно переоценить.

1 Основные этапы исследования каталитических реакций до ХХ века

Биокаталитические процессы люди бессознательно исполь¬зовали с глубокой древности. Биокаталитические процессы являются неотъемлемой частью человеческой истории и их использование началось задолго до нашей эры. Одним из наиболее известных примеров использования биокаталитических процессов является приготовление теста с помощью дрожжей. Другим примером использования биокаталитических процессов является брожение виноградного или фруктового сока для получения вина. Этот процесс был открыт случайно, но с течением времени люди научились контролировать его, чтобы получать различные сорта вина. Еще одним интересным примером использования биокаталитических процессов является брожение молочных продуктов для получения простокваши и при сыроварении.
В XVII-XVIII вв. были открыты некоторые ре¬акции, протекающие при участии не только биологических, но и других ка¬тализаторов. В XVII в. появился камерный способ получения серной кисло¬ты, а в 1793 г. М. Клеман и X. Дезорм доказали каталитический механизм этого процесса, согласно которому оксиды азота участвуют в промежуточ¬ном взаимодействии с реагентами SO2 и О2, таким образом, являясь гомогенными катализаторами[2].
NO_2+SO_2+H_2 O →NO+H_2 SO_4
NO+1/2 O_2→NO_2
Клеман и Дезорм указали, что оксиды азота - «только орудие для полного окисления серной кислоты», и отметили два важных принципа катализа: нестехиометричность и цикличность действия оксидов азота.
Первую гетерогенно-каталитическую реакцию наблюдал, по разным данным, Дж. Пристли в 1778 г. Пропуская пары этилового спирта через горячую глиняную курительную трубку, он обнаружил разложение спирта на эти¬лен и воду[3].
С_2 Н_5→ C_2 H_4+H_2 O
В начале XIX в. появились работы по катализу и в России.
В то же время было открыто каталитическое действие платины - глав-ного катализатора для огромного числа реакций. Л. Тенар в 1813 г. наблю-дал разложение аммиака в присутствии ряда металлов. Применив количе-ственные методы анализа, он установил влияние природы металла на про-текание реакции. Сильнее всего разлагало NH3 на N2 и Н2 железо, затем шли Сu, Ag, Аu и Pt. Было показано, что металлы, ускоряющие процесс, не изменяют своего веса, однако их физические свойства меняются[4].
Э. Дэви в 1817 г. показал, что тонко раздробленная платина (чернь) способ¬ствует окислению этилового спирта.
Г. Дэви в том же году изучил способ¬ность платиновых проволочек и платиновой фольги вызывать реакцию ки¬слорода с СО, HCN, спиртом, эфиром и нефтью. Эти работы, по существу, положили начало исследованиям поверхностного горения.
В 1822 г. И.В. Дёберейнер открыл окисление водорода, на платиновой губке уже на холоду и предложил «огниво Дёберейнера», используемое для зажигания. Оно ос¬новано на способности губчатой платины воспламенять струю водорода, направленную в воздухе на ее поверхность.
Первые обобщения фактов каталитического действия были сделаны Л.Митчерлихом и Й.Я.Берцелиусом в 1834-1835гг[5]. Благодаря данным обобщениям, и именно с этого времени начинается отсчет, когда катализ стал востребованным объектом науки и начал считаться основой химических процессов, протекающих каталитическим способом. Контактные реакции, именно так назвал каталитические процессы в 1834 г. Митчерлих. То есть это реакции, когда исходные вещества не теряют свою химическую природу, но в присутствии небольших количеств внесенного в них контактного материала претерпевают химическое превращение.
Через немногое время, в 1835 г., Берцелиус, обобщив накопленный опыт, предложил иной путь рассмотрения каталитических реакций. Берцелиус выдвинул термин «катализ» (от греческого «каталисис» – разрушение) для описания таких реакций, когда катализаторы - «чужие тела» - нестехиометрически вмешиваются в процесс химической реакции. Такое необычное явление, когда «чужое тело» влияло на ход химической реакции, при этом не принимая участия в этой реакции