Что такое катализатор?

В. БЛОХИН

Представьте себе, что мы положим маленький кусочек платины («платиновой черни») в гремучий газ — газовую смесь из двух объемов водорода и одного объема кислорода. Немедленно газ взорвется с большой силой, а платина останется неизменной. Если мы вольем каплю крови или щелочь или введем небольшое количество той же платиновой черни, золота или окиси железа в перекись водорода, то из этой бесцветной жидкости для беления тканей будет усиленно выделяться кислород. И здесь, как и при первом опыте, все вещества, введенные в жидкость, будут целы.

В обоих случаях мы имели дело с хищнической реакцией, вызванной введенными в газ или жидкость посторонними телами, которые сами по себе как будто активного участия в реакции не принимали. Эти вещества, возбуждающие или ускоряющие химические реакции без видимого изменения собственного состава и массы — катализаторы. Вызванная ими реакция называется каталитической, а само явление катализом.

В роли катализаторов могут выступать самые разнообразные вещества: металлы в мелкораздробленном состоянии (платина, золото, серебро, никель, железо, медь); окиси металлов например окись железа, цинка, никеля, алюминия; минеральные кислоты вроде серной или азотной кислот; вода, щелочи, уголь, кокс и др. Все они вызывают в определенных условиях и после соответствующей обработки нужную реакцию. Например металл растворяют в азотной или органической (муравьиной, уксусной) кислоте и подливают в этот раствор щелочь.

После этого окись металла выпадает в виде мелкого осадка, который отмывается от избытка щелочи, сушится и после восстановления в струе водородного газа становится порошком. Этот порошок формируется в виде кусочков, таблеток, шариков, нитей, для чего применяются склеивающие вещества (сахар, жидкая смола); иногда осаждают катализатор на асбест, пемзу или пористый фарфор для размещения его на большой поверхности.

Интереснейшая особенность катализаторов — это способность ничтожного количества катализаторов действовать на большие массы. Достаточно миллионной доли грамма платины, чтобы разложить массу перекиси водорода, превышающую катализатор более чем в миллион раз. Достаточно капли воды, введенной в совершенно сухой гремучий газ, который можно нагревать до 1000°, не вызывая его разложения, чтобы моментально вызвать взрыв газа. Не менее ценна и способность катализаторов ускорять ход реакции; если для разложения перекиси водорода без катализатора нужно 10—11 дней, то при добавке платины выделение кислорода начинается через 1/2 сек.

Эта удивительная особенность, называемая «активностью», меняется не только у различных, но и даже у одного катализатора и зависит от обработки катализатора и формы, в которой он находился во время реакции. Например, платиновая проволока вызывает взрыв гремучего газа при 300°, но эта же проволока, протравленная азотной кислотой, взрывает газ при нормальной температуре. Активность катализатора сильно увеличивается, если он находится в мелко раздробленном состоянии и расположен на большой поверхности.

Катализаторы обладают еще «избирательностью» — они могут направлять реакцию в ту или иную сторону. Например, если при реакции соединения смеси углерода и водорода под давлением катализатором будет смесь металлических окислов — цинка и хрома, результатом реакции будет древесный спирт; если же катализатором взять железо и никель, то продуктом реакции будет не спирт, а болотный газ — метан.

Взамен прежнего камерного способа на советских заводах производят серную кислоту, используя катализаторы. По этой схеме вырабатывает серную кислоту завод "Красный химик"

Катализаторы могут еще снижать температуру реакции на 100—200° в тех химических процессах, которые обычно идут только при высоких температурах, экономя этим топливо и значительно улучшая выход продуктов.

При действии катализаторов в технологических процессах огромное влияние на их активность, т. е. каталитическую силу, оказывают различные примеси. Примеси, которые специально придаются катализатору, чтобы увеличить его активность, называются «активаторами» — это окислы металлов (железа, алюминия) или иные неорганические соединения.

Если же примеси — продукт загрязнения веществ, вступающих в реакцию, или вещества, образующиеся в ходе реакции и уменьшающие активность катализатора, такие примеси называются «контактными ядами». Такие яды, как сера, мышьяк, фосфор и их соединения — бич каталитических реакций; они нарушают ход всего процесса катализа, так как сильно понижают активность катализаторов. Такое вещество как сероводород сразу сводит на нет действие катализатора. Несмотря на тщательную очистку исходных веществ контактные яды часто проникают вместе с газами в аппараты и отравляют катализатор. В некоторых случаях такой уставший, устаревший катализатор можно «омолодить», вернуть ему прежнюю активность, для чего катализатор прогревают и прокаливают в струе воздуха.

Хорошие катализаторы, применяемые в производстве, должны быть высокоактивны, иметь большую поверхность, быть мало чувствительными к контактным ядам и легко омолаживаемы. Первым технологическим процессом, основанным на применении катализаторов, было производство серной кислоты.

Исходное сырье в этом производстве  — серно-железная руда («пирит» или серный колчедан), которую обжигают в печах. При обжиге выделяется большое количество сернистого газа. В особых установках газ окисляется кислородом воздуха в присутствии катализатора и превращается в серный ангидрид; пропустив его в воду или над ней, получают серную кислоту. Эта кислота — жидкость, она почти вдвое тяжелее воды и является одним из основных веществ в ряде отраслей промышленности: основной химии, текстильной, красочной, искусственных удобрений, очистки нефти, взрывчатых веществ.

Контактный аппарат, в котором проходит основная часть производственного процесса добывания серной кислоты

Первое время в заводской практике пользовались «камерным способом», без участия катализаторов. Контактный способ, при котором главную роль играют катализаторы, укрепился после того как научились очищать газы от контактных ядов, быстро отравляющих катализатор. Теперь уже все вредные вещества: пыль, мышьяк, селен, которые выделяются при обжиге руды и вместе с газами поступают в аппараты, полностью поглощаются особыми установками и катализатор непрерывно служит 10—12 лет. Контактной массой в этом процессе служит платина, мелко раздробленная и нанесенная на волокнистый асбест. На этом принципе у нас построен тентелевский процесс контактного способа получения серной кислоты на заводе «Красный химик» в Ленинграде.

В показанном на рисунке контактном аппарате происходит самая ответственная часть процесса: сернистый газ окисляется, проходя через контактную массу — платинированный асбест. В трубы аппарата загружается до 156 кг катализатора, содержащего 11— 12 кг платины, причем 1 кг этого металла производит в сутки больше тонны серного ангидрида. Газ окисляется при 450°, вся месячная продукция завода — 400 т крепкой серной кислоты.

Схема получения метанола по способу Потара

Замечательное достижение в области каталитических реакций представляет собой производство аммиака из простейших веществ, имеющихся в природе в неограниченном количестве. Все мы знаем, аммиак, растворенный в воде, — это обыкновенный нашатырный спирт, который получался обычно как побочный продукт переработки каменного угля на кокс. Теперь уже разработан и прочно вошел в промышленность совершенно новый способ получения аммиака. Через очень активный катализатор пропускают смесь водорода и азота, которые при высокой температуре и давлении соединяются, образуя аммиак.

Употребляемые в этом процессе газы известны, вероятно, каждому; водород — тот газ легче воздуха, которым наполняют воздушные шары, азот — составная часть воздуха, состоящего из 79 проц. азота и 21 проц. кислорода. Водород для производства аммиака получают из водяного газа (смесь окиси углерода и водорода, получаемая при пропускании водяных паров через раскаленный до 1000° уголь). Если хотят иметь совершенно чистый водород, то его добывают действием электрического тока на раствор поваренной соли; азот получают перегонкой жидкого воздуха.

Газовая смесь должна быть совершенно свободна от контактных ядов, которые, отравляя катализатор, не дают развиваться процессу. Такими ядами могут быть вода в газах, присутствие кислорода или окиси углерода, сера и другие примеси, ничтожные следы которых лишают катализатор его силы.

Сам катализатор этого процесса изготовляют из железных стружек и обрезков. Стружки окисляют, полученную окись сплавляют, и эту массу, размельченную до размера крупной вишни, загружают в контактный аппарат, где она восстанавливается, т. е. превращается в чистый металл, через который и проходит газовая азотно-водородная смесь. Такие катализаторы могут служить без замены более месяца. Контактный аппарат, в котором помещается катализатор, должен иметь очень толстые стенки (обычно стальные), иначе просочится водород, так как давление в приборе достигает 800—900 ат. Температура поддерживается 450—500°.

В такой контактной печи идет окисление метана. В качестве катализаторов применяются фосфорно-кислые соли. Фото Л. Рихтера

Аммиак широко применяется для сложных удобрений, изготовления азотной кислоты, аммиачной соды, в холодильном деле и других отраслях.

Нефтяная промышленность нашей страны не поспевает за ростом транспорта и авиации; автомобили и самолеты, тракторы и заводские установки предъявляют повышенный спрос на жидкое топливо. Нефти и продуктов ее переработки не хватает — нужен новый источник получения горючего. И на помощь нефти приходит химия в лице катализаторов, с помощью которых создается искусственное жидкое топливо.

Исходным продуктом выступает каменный уголь, его превращают в каменноугольную пыль и замешивают со смолой в особую пасту. Давлением водорода пасту вдувают в реакционный аппарат, в котором при температуре в 420—450° и давлении в 250—300 ат уголь под действием водорода разжижается. В конце процесса получается черное масло, которое после разгонки последовательно дает бензин, горючие и смазочные масла и смолу. Катализатором служат стенки сосуда.

Такой способ выработки заменителей бензина и горючего, получивший название «бергинизации», особенно выгоден тем, что для него идет угольная мелочь, каменноугольная пыль, асфальты, т. е. продукты, имеющие ничтожную ценность. Близко к бергинизации каменного угля стоит крэкинг-процесс, широко применяемый на нефтяных разработках в Баку. Мазут, оставшийся после отгонки из нефти бензинов и керосина, под давлением водорода в 200 ат, превращается также в бензин. В качестве катализаторов для понижения температуры применяются глинозем, окись меди или окись железа.

Если водяной газ пропускать через окись цинка (является катализатором при температуре в 400° и давлении в 250 ат), то газ превращается в древесный спирт — метанол. Метанол теперь вырабатывают в заводском масштабе химическим путем и этот способ почти вытеснил прежний способ сухой перегонки древесины. Теперь заводы выпускают спирт 99-процентной чистоты при производительности в несколько тонн метанола в сутки. Сам продукт обходится в два с половиной раза дешевле спирта, получаемого из дерева.

Уже из этих немногих примеров видна та исключительная роль, которую играет химия и катализаторы в современных технологических процессах. С развитием промышленности осваиваются новые и новые способы производства, требуется быстрое получение и замена многих материалов, необходимых для быстрого роста хозяйства страны. Каталитические реакции лежат в основе многих этих сложных процессов, достаточно упомянуть производство азотной кислоты из аммиака, синтез многих органических красителей, и наконец замечательный способ получения искусственного каучука.