О времени, пространстве и других вещах. От египетских календарей до квантовой физики - [66]

Таким образом, платина действительно выступает в роли посредника, образуя на поверхности мономолекулярную газообразную пленку.

Также нетрудно показать, как платиновый катализатор может быть испорчен. Представьте, что существуют молекулы, к которым атомы платины будут «прижиматься» сильнее, чем к кислороду. Такие молекулы заместят кислород в поверхностной пленке, но сами не будут вытеснены атмосферными газами. Они останутся на поверхности платины, и каталитическое действие с участием водорода и кислорода прекратится.

Поскольку для образования поверхностного слоя толщиной в 1 молекулу затрачивается очень мало вещества (при разумных размерах поверхности), катализатор довольно быстро портят примеси, которые неизменно присутствуют в рабочей смеси газов.

Если приведенные выше рассуждения верны, то увеличение площади поверхности катализатора при его неизменном весе одновременно повысит его эффективность. Поэтому платиновый порошок, имеющий обширный поверхностный слой, является намного более эффективным катализатором, чем кусок платины того же веса. Значит, мы можем говорить о поверхностном катализаторе.

Но было сказано о поверхностной пленке, которая ускоряет процесс взаимодействия водорода и кислорода. Хотелось бы ликвидировать любые намеки на волшебство.

Для этого следует понять, чего катализатор сделать не может.

В 1870 году американский физик Джозайя Уиллард Гиббс разработал законы термодинамики применительно к химическим реакциям. Он показал, что существует некое количество так называемой «свободной энергии», которое всегда уменьшается в спонтанной химической реакции, то есть в реакции, которая протекает без поступления энергии.

Так, после начала реакции соединения водорода и кислорода она продолжается до тех пор, пока имеются газы — реагенты, а в результате образуется вода. Мы объясняем это тем, что свободная энергия воды меньше, чем свободная энергия газовой смеси. И реакцию взаимодействия водорода и кислорода с образованием воды можно сравнить со скольжением вниз по «энергетическому склону».

Но если все сказанное верно, почему водород и кислород не реагируют между собой, находясь в состоянии газовой смеси? Почему они так долго медлят на верхней ступеньке энергетической лестницы и вступают в реакцию только после нагрева?

Очевидно, что до начала реакции молекул кислорода и водорода, каждая из которых состоит из двух атомов, одна из них должна быть разрушена на отдельные атомы. А для этого необходима дополнительная энергия. Это и есть верхушка энергетического склона, по которому еще предстоит спуститься. Своего рода «энергетический пригорок». Количество энергии, необходимое для начала химической реакции, называется энергией активации. Эту концепцию впервые выдвинул в 1889 году шведский химик Сванте Август Аррениус.

Когда молекулы кислорода и водорода сталкиваются при обычной температуре, только незначительное их число обладает достаточной энергией, чтобы при столкновении разбиться. Они вступают в реакцию, в результате чего выделяется энергия для расщепления дополнительных молекул. Но дело в том, что одновременно выделяется такое маленькое количество энергии, что она рассеивается раньше, чем используется. В результате водород и кислород при комнатной температуре не реагируют между собой.

Когда температура поднимается, молекулы начинают двигаться быстрее, значительно большее их количество обладает необходимой энергией, чтобы разбиться или разбить другую молекулу при столкновении. (Другими словами, большее число молекул могут перебраться через «энергетический пригорок».) Постепенно высвобождается все больше энергии, и в какой-то момент температура достигает такого уровня, когда высвобождается больше энергии, чем может быть рассеяно. А температура продолжает повышаться, в результате производится больше энергии, что еще больше повышает температуру, и реакция соединения водорода и кислорода сопровождается взрывом.

В 1894 году русский химик Вильгельм Оствальд доказал, что присутствие катализатора не может изменить взаимоотношения свободной энергии. Он не может инициировать реакцию, которая не начиналась без него, он в состоянии лишь ускорить ее протекание.

Иными словами, водород и кислород взаимодействуют и без присутствия платины, но это почти незаметно. Платиновый катализатор лишь ускоряет соединение. При комнатной температуре вода не может разложиться на кислород и водород (без дополнительного поступления энергии, например электрического тока), потому что это означало бы спонтанное движение вверх по энергетическому склону. Присутствие катализатора не может подтолкнуть такое движение. Если мы когда-нибудь обнаружим катализатор, способный на такое, он уж точно будет волшебным. (Или нам придется пересматривать основные законы термодинамики.)

Но как именно платина ускоряет химическую реакцию? В том, что она ее действительно ускоряет, у нас больше сомнений нет. Что происходит с молекулами в пленке?

Оствальд предложил следующее объяснение (которое было принято и существует по сей день). Катализатор ускоряет химическую реакцию, понижая энергию активации, то есть сглаживает «энергетический пригорок». Тогда при данной температуре больше молекул смогут перебраться через «пригорок» и съехать вниз; скорость реакции возрастает, иногда многократно.