Как химики управляют реакциями


Какими средствами пользуются химики для того, чтобы получать разнообразнейшие продукты из доступных видов сырья дешево, с незначительной затратой труда?

Вспомним, от чего зависит течение химических реакций.

Скорость реакций растет обычно очень сильно при нагревании исходных веществ. Для того чтобы в доменной печи шло быстро восстановление железа и образование чугуна, в нее вдувают предварительно подогретый воздух. Еще недавно подогревали воздух до 800-900°, а сейчас уже в некоторых печах — до 1200°.

Один из важнейших способов управления течением химических реакций — повышение температуры. Применение этого способа тем более удобно, что большое число реакций
идет с выделением тепла, и, таким образом, желательная температура достигается без затраты топлива.

Под давлением 100 тыс. атм графит превращается в алмаз.
Под давлением 100 тыс. атм графит превращается в алмаз.

Сравнительно недавно стали пользоваться еще одним способом воздействия на ход реакции — проводя некоторые реакции не под атмосферным давлением, а под повышенным, часто в сотни и тысячи атмосфер. Так, чтобы получить из газа этилена замечательную пластмассу — полиэтилен, реакцию проводят под давлением в 1500 атм. А для превращения графита в алмаз необходимо давление в 100 тыс. атм. В производстве синтетического аммиака реакцию проводят при давлении до 1000 атм и температуре до 550°. Иногда оказывается целесообразным проводить реакцию при высокой температуре и под давлением во много раз ниже атмосферного. Так сейчас получают из природного метана ацетилен — сырье для синтеза многих органических продуктов.

Уже давно было замечено одно интересное явление. При определенных условиях какая-либо химическая реакция не идет. Но достаточно, не меняя этих условий — температуры, давления, добавить к исходным веществам некое «постороннее» вещество, как реакция начинает идти быстро. И что всего удивительнее, добавленное вещество при этом не изменяется. Вы, вероятно, уже поняли, что разговор идет о катализаторах (см. т. 3, ст. «Химическое взаимодействие и катализ»). Вот яркий пример промышленной каталитической реакции: смешаем сернистый ангидрид с воздухом и будем смесь пропускать через стеклянную трубку, подогреваемую пламенем газовой горелки. Какую бы температуру мы ни поддерживали, никакой реакции не произойдет. Но если предварительно в стеклянную трубку поместить немного окиси железа, сернистый ангидрид окислится кислородом воздуха в серный ангидрид. Эта реакция лежит в основе важнейшего современного способа получения серной кислоты — контактного способа. Катализаторы позволяют очень гибко управлять течением химических реакций. Катализ широко используется в химической промышленности. Сначала катализаторы применили в производстве серной кислоты, затем в ряде других неорганических производств — таких, например, как синтез аммиака, производство азотной кислоты. Но особенно эффективными они оказались в применении к синтезу органических веществ.

В последние десятилетия катализ широко внедрился в переработку нефти, природных горючих газов и др. Почти все новые процессы переработки нефти и газов — каталитические. Именно благодаря катализу удалось превратить нефть и природные газы в основное химическое сырье, которое теперь служит для получения азотных удобрений, синтетических каучуков, синтетических волокон, пластмасс и других продуктов.

По мере того как наши знания о таинственных веществах — катализаторах — углубляются (до сих пор теория действия катализа еще недостаточно разработана), все более расширяется производственное значение этого метода управления химическими реакциями в производстве.

Бесконечный перечень

Мы захотели изучить химию и для начала решили составить список всех известных химикам веществ. Мы берем большой блокнот и на каждой его странице помещаем по сто названий. Пишем мы очень быстро — за 5 мин. заполняем страницу. Трудимся по 6 час. в день, не зная праздников и выходных.

Свои записи мы начали 1 января. Проходит зима, весна сменяется летом, тысячи исписанных листков загромождают стол. И мы с ужасом убеждаемся в том, что конца работы не видно. Больше 400 дней потребуется для того, чтобы записать названия всех известных химикам веществ. Для этого потребуется больше 30 тыс. страниц! Ведь одних только органических соединений химики насчитывают более 3 млн. И каждый месяц они находят в природе и готовят в лабораториях еще по две с лишним тысячи новых веществ.