Любознательным на заметку

Что такое катализаторы? Химия на практике

Сто тридцать лет назад знаменитый шведский химик Берцелиус впервые описал «чудодейственные» вещества и дал им имя — катализаторы. Ничтожное их количество ускоряло химическую реакцию во много раз, а сами они выходили из реакции нетронутыми. И все же Берцелиус не был первооткрывателем катализа. За много столетий до создания основ химии в чанах созревал сыр, бродило вино, подымалось тесто. Ни один из этих процессов не прошел бы без биологических катализаторов — ферментов. Без них немыслимы и жизненные процессы в организмах.

При окислении органических соединений в клетке могут образоваться перекиси, обладающие большой разрушительной силой.

Природный катализатор — фермент каталаза — встает на защиту клетки. Попробуйте взять аптечную (трехпроцентную) перекись водорода и бросить в нее кусочек сырого картофеля, моркови или мяса. Сразу же начнется бурное разложение перекиси с выделением кислорода, Это сработала каталаза. Она присутствует в живой клетке в ничтожном количестве, но зато одна только молекула каталазы может разрушить за секунду свыше ста тысяч молекул перекиси. С вареным картофелем этого опыта не проделаешь. Каталаза — белковый катализатор и при нагреве теряет свои свойства.

Алхимики в поисках философского камня нашли немало веществ, помогающих превратить одно вещество в другое. Некоторыми из найденных ими катализаторов пользуются и поныне. Еще в VIII веке арабский алхимик Джабир ибн-Хайян, действуя на спирт серной кислотой, сумел получить из него эфир. До наших дней дошло название этого эфира — серный, хотя в его молекуле нет ни единого атома серы. Кислота в этой реакции не расходуется, она является лишь катализатором. Серный эфир и сейчас часто используют в медицине. Попробуйте воспроизвести реакцию, открытую больше тысячи лет назад.

Добавьте к 3 см³ спирта немного песку и около 2 см³ катализатора — концентрированной серной кислоты. Скоро почувствуется характерный запах эфира. Если поджечь его пары, они загорятся бледно-голубым пламенем.

Смешав немного спирта с равным количеством уксусной эссенции и добавив несколько капель серной кислоты при осторожном нагревании, получим другой эфир — уксусноэтиловый, известный под названием «туалетный уксус». И здесь серная кислота играет роль катализатора.

Одна из теорий, объясняющих явление катализа, предполагает образование промежуточных соединений с катализатором, которые намного активнее исходных веществ. Иногда даже удастся наблюдать эти соединения. Попробуйте проделать такой опыт.

Налейте в стакан насыщенный раствор катализатора — хромата или бихромата калия (хромпика), нагрейте его до 50—60° и добавьте несколько капель пергидроля (30% перекиси водорода). Если не найдете пергидроля, то его вполне заменят 3—4 см³ аптечной перекиси водорода. Желтый прозрачный раствор калиевой соли через минуту потемнеет: его окрасит сложное промежуточное соединение, которое, впрочем, тут же начнет быстро разлагаться с выделениеv кислорода. При этом жидкость в стакане вновь станет ярко-желтой, и в ней не останется даже следов перекиси. В большинстве других реакций промежуточные соединения существуют лишь доли секунды, и простым наблюдением их заметить нельзя.

На практике часто применяют целые комплексы катализаторов. Так, например, при получении аммиака из азота и водорода реакция идет намного интенсивнее, если к основному катализатору — железу — добавить немного окислов алюминия и калия. Преимущество двух катализаторов перед одним можно легко проверить на опыте с разложением хлорной извести.

В полстакана холодной воды насыпьте 15—20 г хлорной извести, тщательно размешайте. Раствор желательно отфильтровать через промокательную бумагу. После этого нагрейте раствор примерно до 50° и разлейте в три маленьких сосуда. В первый сосуд добавьте до 5 см³ разбавленного раствора медного купороса, во второй — столько же раствора железного купороса, а в сосуд третий — смесь этих растворов (по 2—2,5 см³). Через несколько минут вы убедитесь в том, что в третьем сосуде кислород будет выделяться в изобилии, а в первых двух — намного меньше. Если взять для реакции узкогорлые сосуды (маленькие колбочки) и заполнить их раствором хлорной извести почти доверху, то выделяющийся кислород можно опознать по вспыхиванию тлеющей лучинки, поднесенной к горлышку сосуда. Впрочем, лучинка вспыхнет только у колбы со смесью катализаторов; в других колбах она только слегка накалится.

Каталитические процессы широко распространены в химии высокомолекулярных соединений. Большинство полимеров получают из исходных мономеров с помощью катализаторов. Один из хорошо известных процессов полимеризации — образование на воздухе масляной пленки — ускоряется катализаторами, которые называют сиккативами. Сиккативы — как правило, соли органических кислот — способствуют взаимодействию высыхающего масла с кислородом воздуха и, как следствие этого, образованию нерастворимого полимера. Обычная олифа — это масло с сиккативом. Можно попытаться самим приготовить олифу и на опыте проверить действие сиккатива.

Сначала приготовьте сиккатив — плавленый резинат. Его готовят из канифоли, нагретой в фарфоровом стакане до 220—250°. Добавив в расплав 5 г негашеной извести, вы получите резинат кальция. Если вместо извести взять 15 г глета, растертого в пасту с льняным маслом, получится резинат свинца. Глет нужно вводить небольшими порциями. Нагрев реагентов проводите до получения однородной массы; ее капля должна казаться на стекле прозрачной.

Когда катализатор готов, его вводят в прогретое до 150—200° льняное или конопляное, лучше рафинированное, масло. На 100 частей масла возьмите 3—5 частей сиккатива, размешивайте смесь до полного его растворения. Полученную олифу нанесите тонким слоем на стекло или металл и рядом нанесите пленку чистого масла, Вы легко обнаружите, насколько сиккатив ускоряет высыхание масла.

Не все катализаторы ускоряют химические процессы. Существуют — и часто применяются —отрицательные катализаторы, ингибиторы, тормозящие те или иные реакции.

Особенно интересны ингибиторы коррозии, защищающие металл от разрушения. Некоторые органические соединения класса аминов препятствуют коррозии железа в кислой среде. Растворите несколько таблеток уротропина (его химическое название гексаметилентетрамин) в растворе соляной кислоты. Погрузите в полученный раствор железный гвоздь, а другой гвоздь для сравнения опустите в обычную соляную кислоту. По выделению пузырьков водорода можно легко заметить, где быстрее идет реакция. Защитными свойствами аминов часто пользуются при травлении металлов, когда нужно снять с поверхности слой окисла, но не затронуть деталь. Ингибиторы не препятствуют кислоте разъедать окисную пленку, но не подпускают кислоту к самому металлу.

О. Либкин.

Похожие публикации:

Один день в истории: международный женский день 8 марта
Каждый год 8 марта отмечается международный женский день. Созданная изначально на основе рабочего движения, история женского дня как международного явления тесно связана с забастовками, демонстрациями и даже революцией с всемирно-историческими последствиями. ...

Откуда взялся День святого Валентина?
По мнению некоторых людей, День святого Валентина — это выдумка продавцов цветов. Но кем же был святой Валентин, в честь которого назвали день влюбленных? Является ли этот праздник ненужной традицией или, наоборот, это хорошая возможность признаться в любви своей «половинке»? ...

Любопытство и любознательность. В чем отличие?
Хорошо известно, что с детства, благодаря стремлению к познанию, человек учится понимать мир, открывать для себя новое и получать опыт, который очень важен для жизни и выживания. Однако, говоря о познании, помните, что существуют две его формы. ...

Источники ошибок при сварке
Сварку необходимо изучать. Может пройти много времени, пока ученик будет в состоянии заварить качественный сварной шов. Самые первые хорошие сварные швы обычно являются просто совпадением. Помогает лишь постоянная практика. И в процессе обучения без ошибок не обойтись, но важно верить, что человеку все подвластно, вспомнив пословицу "Не боги горшки обжигают". В нашей статье мы расскажем о наиболее распространенных ош...

Подарки в нашей жизни. Что нельзя дарить и почему?
Праздники – это настоящее украшение нашей жизни. Без них она казалась бы серой, скучной и однообразной. А какой праздник обходится без подарков? Будь то юбилей либо просто день рождения, годовщина свадьбы или Новый год, Рождество или Пасха – в эти и другие знаменательные дни, что называется, сам бог велел радовать наших родных, близких, друзей и коллег памятными презентами. Даже если виновник торжества словно отнеки...