Поверхностность в химии приносит плоды
За сорок шесть лет Герхард Эртль научил многие реагенты игнорировать наличие третьего пространственного измерения
![]() Торжества по поводу 71-ой годовщины Герхарда Эртля оказались еще более шумными, чем торжества по поводу его 70-летнего юбилея — он впервые отмечал свой день рождения нобелевским лауреатом. Фото: Max-Planck-Gesellschaft / Norbert Michalke
|
В соответствии с завещанием — вероятно, самым известным в мире, — составленным изобретателем и «олигархом» Альфредом Нобелем, в 2007 году 10 миллионов шведских крон получит химик из Германии Герхард Эртль
Научная деятельность берлинского химика Эртля началась в 1961 году — раньше, чем была построена Берлинская стена, и продолжается вот уже восемнадцать лет после её падения. Пока менее образованные земляки строили, охраняли и сносили Берлинскую стену (по сути, занимались Сизифовым трудом), Герхард Эртль плодотворно работал. Целая эпоха «холодной войны» для него началась и закончилась на фоне колб и спектрометров. За сорок шесть лет
Глубокое понимание химии поверхности
Ещё в
![]() Разорвать тройную связь двух атомов в молекуле азота — очень сложная задача. Но если один из атомов удается «приклеить» к поверхности, образование аммония значительно облегчается
|
Эртль и другие «пионеры» химии поверхности были вынуждены разработать процедуры очистки поверхности и работать в условиях глубокого вакуума. Кроме упомянутой науки о полупроводниках, химия поверхности имеет огромное значение для понимания явления гетерогенного катализа. Напомним, что катализаторы — вещества, которые ускоряют химические реакции, но сами в них не расходуются. С практической точки зрения это означает, что катализаторы можно использовать повторно, отделяя от продуктов реакции. От жидкой или газообразной реакционной смеси проще всего отделить катализатор, если он — твердое вещество (это и называется гетерогенным катализом). Вероятно, поэтому многие катализаторы, применяемые на практике, — твердые вещества, обычно металлы. Неудивительно, что реакции между газами ускоряются в присутствии определенных твердых катализаторов. Упрощенно, одна из причин выглядит так: чтобы две молекулы прореагировали, они должны столкнуться. При нормальном давлении и температуре молекулы газа беспорядочно носятся в относительно большом объеме пустоты, поэтому «нужные» столкновения происходят не очень часто. Когда молекула газа «приклеивается» к поверхности катализатора, её подвижность сильно ограничивается. Если поблизости «приклеена» и молекула второго реагента, вероятность химической реакции резко возрастает.
Кроме разработки далеких от повседневной жизни теоретических основ и методических подходов, Эртль изучал конкретные химические реакции, протекающие на поверхности металлов. Самые важные из них — окисление СО до СO2 на поверхности платинового катализатора и синтез аммиака из азота в присутствии оксида железа.
Драгоценный металл в выхлопной трубе
Миллионы людей каждый день имеют дело с гетерогенным катализом некоторых реакций, изученных Эртлем. Речь идет о превращениях в каталитических конвертерах, которыми оборудованы современные двигатели внутреннего сгорания — как бензиновые, так и дизельные. В каталитическом конвертере дезактивируются токсичные компоненты выхлопных газов. Опасный для здоровья угарный газ превращается в безобидную углекислоту, продукты неполного сгорания топлива — углеводороды, среди которых есть сильные канцерогены, — «догорают до конца», образуя воду и ту же углекислоту, оксиды азота, которые участвуют в образовании смога, «распадаются» на исходные компоненты — азот и кислород. Две первые группы реакций — по сути, горение, они лучше идут, когда кислорода много; а последней — выделению кислорода из оксидов азота — наоборот, избыток кислорода мешает. Интересно, что конвертер катализирует все эти реакции! Для наиболее эффективной работы иногда используется такая «хитрость»: сначала бедные кислородом выхлопные газы проходят через «восстанавливающую» часть конвертера, потом к ним добавляют кислород, и только после этого обогащенный кислородом выхлоп попадает в «окислительную» часть конвертера.
![]() В настоящее время каталитическими трехпроходными конвертерами снабжается около 80% всех глушителей, устанавливаемых на новых автомобилях. Фото: BASF - The Chemical Company, 2007
|
Конвертеры, которые применяются для дизельных двигателей, катализируют только две окислительные реакции. Действующий компонент конвертера — это тонкий слой благородного металла (лучше всего — платины), который катализирует эти реакции. Чтобы поверхность, контактирующая с газами, была побольше (реакции идут на поверхности!),
Кроме платины или «родственного» металла (палладий, родий), в конвертерах обычно присутствуют и «неблагородные» металлы — никель, марганец, медь. Однако применение некоторых металлов в конвертерах ограничено: например, в Евросоюзе запрещено использование в конвертерах никеля (
Взрывчатка и плодородие
Синтез аммиака из азота и водорода — критический этап при производстве селитры и других соединений азота. Реакция имеет фундаментальное значение для химической промышленности: даровое и неисчерпаемое сырье — азот атмосферы — включается в соединения, которые используются при производстве почти чего угодно, от удобрений до взрывчатки и окислителей ракетного топлива. Синтез аммиака критически важен для мирового сельского хозяйства. Молекула азота (N2) — два атома, соединенные аж тремя химическими связями — самый «крепкий орешек» для живых организмов. Лишь немногие бактерии научились усваивать азот из атмосферы, на все поля их не хватает, а «усваиваемые» соединения азота абсолютно необходимы растениям. Именно их недостаток часто лимитирует плодородие полей (в «диких» экосистемах это не проблема: соединения азота возвращаются в почву вместе с мертвыми организмами, но с полей биомассу изымают в виде урожая).
![]() При обработке полей при помощи комбайна за содержанием азота в почве и, соответственно, поступлением туда азотных удобрений следит бортовой компьютер. Однако естественнее всего было брать азот из атмосферы — ведь его там значительно больше и чем кислорода, и чем углекислоты.Фото: James Schepers/ARS/USDA
|
Чтобы выход (эффективность) реакции синтеза аммиака не был ничтожно малым, требуются высокие давление и температура, которые технически трудно и дорого поддерживать. Кроме того, повышение температуры ускоряет реакцию синтеза, но при этом способствует и обратной реакции — распаду аммиака на азот и водород. Вот тут очень кстати оказывается катализатор — пористый оксид железа со специальными добавками оксидов кальция, алюминия и калия. Его наличие позволяет эффективно синтезировать аммиак при
Итак, 673 публикации за 46 лет научной деятельности; исследования, которые приносят человечеству миллиардные прибыли, существенное (в планетарном масштабе) сокращение загрязнения атмосферы автомобильными выхлопами и обеспечивают эффективное решение в борьбе с голодом… Вероятно, Нобель был бы доволен тем, как эксперты-химики распорядились в этом году его деньгами.
Сергей Авилов, 29.10.2007
Новости партнёров