Роль катализа в экологии

Роль катализа в экологии. Огромную роль призван сыграть катализ в решении актуальнейшей проблемы - охраны окружающей среды. По словам Кусто, земной шар напоминает одиноко несущийся в космическом пространстве автомобиль без выхлопной трубы. Действительно, нам некуда сбрасывать отходы, кроме как в ту же среду, в которой мы живем. Это довольно грустная тема, но о ней стоит говорить, так как человек уже начинает ощущать отрицательные стороны своей бурной ило многом бесконтрольной де- ятельности.

Химики-каталитики настойчиво работают над этой про блемой и уже добились некоторых результатов. Разработаны специальные устройства для дожигания выхлопных газов автомобилей, работающие на основе каталитического окисления вредных компонентов газов. Подобраны катализаторы и условия для обезвреживания отходящих газов химических производств. Каталитические фильтры конструируются в виде патронов, заполненных металлической сеткой или керамическими материалами с нанесенными на них каталитическими агентами работают эти фильтры при 250-350 С. Мы привели температуру и давление, при которых ведут катализ реакций в промышленных условиях, отчасти для того, чтобы сравнить их с условиями подобных химических реакций, протекающих в организмах растительного и животного мира. Последние имеют гораздо большую скорость при обычных температуре и давлении.

Достигается это с помощью биологических катализаторов - продуктов длительной, неизбежно сопро- вождающейся миллионами ошибок и тупиков, эволюции жизни на Земле. Вероятно, мы не скоро узнаем извилистый путь, по которому шла природа в поисках эффективных органических конструкций с их фантастической способностью ускорять в мягких условиях процессы в живых организмах.

Энергетический барьер Все каталитические реакции - самопроизвольный процесс, т.е. протекают в направлении убыли энергии Гиббса - убыли энергии системы.

Давно уже было известно, что молекулы неионогены вступают в реакцию гораздо реже, чем сталкиваются друг с другом. Аррениус объяснил этот факт, предположив, что молекулы могут реагировать лишь в том случае, если в момент столкновения они обладают запасом энергии не ниже некоторой критической величины. В этом случае они называются активными молекулами. А. Резчик, 1945 г. Такая теория существует, это теория абсолютных скоростей реакций, начало которой было положено теоретическими исследованиями Поляни в 1931 г. Ниже мы с ней познакомимся, а пока обратим внимание еще на один закон химической кинетики, известный под названием закона Аррениуса 1889. Закон связывает константу скорости реакции с некоторой характерной для данной реакции энергетической характеристикой, называемой энергией активации Е. 26 где k0 - константа, или предэкспоненциальный множитель R - газовая постоянная, равная 1,987 калградмоль, Т - температура в градусах шкалы Кельвина е - основание натуральных логарифмов.

Чтобы найти величину энергии активации Е, изучают скорость реакции при разной температуре и находят для каждого значения Т величину константы скорости.

Поскольку уравнение 26 содержит две неизвестные величины - k0 и Е, то поступают следующим образом. Логарифмируют 26 27 строят график зависимости Lnk от 1Т и определяют угловой коэффициент, который равен ЕR. Обычно используют не натуральные, а десятичные логарифмы . 28 Последнее число - модуль перевода натуральных логарифмов в десятичные, умноженный на величину R l.987. С законом Аррениуса связано широко распространенное в химии символическое изображение пути реакции в виде энергетической диаграммы, показанной на рис. 1. Смысл этого изображения таков для того чтобы молекулы перешли из одного состояния H1 в другое H2, они должны обладать запасом внутренней энергии, не меньшим некоторого критического значения Е. Состояния Hl и Н2 разделены, таким образом, некоторым энергетическим барьером с высотой, равной энергии активации Е, и чем ниже высота барьера, тем больше скорость реакции в соответствии с уравнением Аррениуса.

Это возрастание не беспредельно даже при отсутствии барьера Е О реакция будет протекать с некоторой конечной а не бесконечно большой скоростью, так как при Е0 одновременно. Важным свойством энергетической диаграммы является то, что исходный H1 и конечный Н2, уровни не зависят от высоты барьера.

Можно произвольно менять высоту барьера Е если, конечно, мы знаем, как это сделать практически, но при этом уровни H1 и Н2 останутся без изменения, если заданы определенные внешние условия - температура, давление и т. п. Иначе говоря, существуют в принципе различные пути, по которым могут перемещаться молекулы из одного фиксированного состояния в другое, в том числе и такие, на которых энергетический барьер равен нулю не может быть только такого случая, когда Е О.