было каждый раз подбирать свой ключ, искать для каждого свой магические слова «сезам, отворись». Эта громадная работа была проделана…
Для каждого из процессов были найдены катализаторы, с которыми реакция шла полностью, без отклонений, были точно определены условия, при которых процесс протекал наилучшим образом.
Основных практических целей преобразования углеводородов было две: получение из малодеятельных видов соединений, легко вступающих в реакции (например, бензола), для дальнейшего использования в синтезе всевозможных веществ и придание углеводородам, входящим в моторное топливо, детонационной стойкости.
При реакции «расширения цикла» пятичленное кольцо удалось превратить в шестичленное, появилась возможность легко получить циклогексан, а его-го уж, мы знаем, без труда можно переделать в столь ценный бензол. Другой реакцией — «размыкания цикла» — пятичленное кольцо развернули в цепочку, получился углеводород с открытой цепью. Но не инертный парафин, а его активный близнец — изо-парафин с ветвистым строением. Эта реакция имела большое значение, так как ветвистые углеводороды обладают высокой детонационной стойкостью.
А при реакции, получившей название «каталитическое перераспределение атомов», один углеводород передавал свои атомы водорода другому, и таким путем опять-таки приходили к нужному веществу — бензолу.
Успешные результаты с циклическими углеводородами привели к дерзкой мысли: не. помогут ли катализаторы воздействовать и на совершенно инертные парафины? Не удастся ли и обратная размыканию цикла реакция — замыкание открытой цепи в кольцо?
Николай Дмитриевич давно уже обдумывал способ оживления парафинов — этих «химических мертвецов», как их называли химики. Не станут ли катализаторы той «живой водой», которая вдохнет в них жизнь? Вопрос имел огромное значение для всего хозяйства страны. Его решение дало бы новые громадные ресурсы для промышленности, помогло бы улучшить качество моторного топлива.
И вот процесс пошел! Он получил название «каталитической дегидроциклизации», так как в нем идет одновременно замыкание цепочки молекулы парафина в кольцо и отщепление атома водорода.
Благодаря исследованиям Николая Дмитриевича Зелинского и его школы различные группы углеводородов, которые рассматривались ранее химиками как обособленные, не связанные между собой, были объединены в одну большую «химическую семью».
Многолетний труд ученого привел его к установлению тех законов, об открытии которых он мечтал, когда писал в своей магистерской диссертации о том, что «должна быть найдена общая связь и все многообразие углеродистых соединений должно быть сведено в одно целое».
Исследователи получили точные методы, при помощи которых стало возможным осуществлять взаимное превращение углеводородов, а нефтехимическая промышленность обогатилась новыми способами переработки нефти, дающими возможность получать из малоценных продуктов вещества большой хозяйственной ценности.
«Ни одна школа в мире не Сделала так много в этом направлении», — писал академик А. Н. Несмеянов.
Роль Зелинского в развитии вопросов катализа не ограничивается только открытием ряда каталитических превращений углеводородов. Им дано представление о сущности и механизме катализа.
Николай Дмитриевич занялся катализом в то время, когда исследования велись в направлении расширения области известных явлений, в накоплении экспериментальных данных. Построение теории, то есть проникновение вглубь, пошло интенсивно значительно позднее, и Зелинский своими открытиями положил основу этому проникновению.
Отличительной чертой взглядов Николая Дмитриевича на катализ является их прямая связь с бутлеровской теорией строения органических соединений, с представлением о строении и форме молекулы. В своих работах он писал:
«Определенное взаимоотношение, катализаторов с формой молекул и, следовательно, их динамическим строением, изменяющимся под влиянием контакта и температуры, не подлежит сомнению, а потому от развития учения контактных превращений нужно ждать расширения понятий о законах химической механики».
Николай Дмитриевич считал, что под влиянием катализатора происходит изменение формы молекулы вещества, ее углеродистого скелета.
При постоянном составе и форме молекул свойства их будут одинаковы. Если остается неизменным состав, но изменяется химическое поведение молекул, как это наблюдается при катализе, то это нельзя объяснить иначе, как изменением формы молекулы. Эти взгляды были развитием, углублением теории химического строения Бутлерова.
Николай Дмитриевич заложил основы современных воззрений на катализ, на область тонких поверхностных явлений, где диалектически сочетаются свойства и формы движения веществ самого катализатора и веществ реагирующей молекулы.
Он искал причины превращений молекул при катализе в изменениях состояния электронных оболочек атомов. Для того чтобы осуществить такое «избирательное действие», катализатор должен участвовать в процессе не всей своей поверхностью, а лишь некоторыми участками — «активными центрами». Здесь намечалось сближение взглядов Зелинского с воззрениями крупнейшей советской школы химической физики, возглавляемой академиком Н. Н. Семеновым. «Активными центрами» Семенов в свое время назвал обломки молекул, свободные электроны — высокореакционноспособные частицы, массовое «размножение» которых в ряде случаев является одним из механизмов развития лавинообразных химических реакций, которые Семенов назвал «цепными».
Что касается катализа, то механизм этого явления, вероятно, еще сложнее. Взгляды Зелинского на этот вопрос сыграли большую роль в формирований его учеником Алексеем Александровичем Баландиным своеобразной теории катализа, на которой стоит несколько задержаться. Познакомившись с ней ближе, читатель в полной мере сможет оценить преемственность идей учителя и ученика.
Чтобы освоиться с представлениями, развиваемыми А. А. Баландиным, надо попытаться представить себе картину, которую мы могли бы увидеть, наблюдая поверхность катализатора в фантастический микроскоп, разрешающая способность которого позволила бы нам разглядеть отдельные атомы. Мы увидели бы на поверхности катализатора множество атомов, расположенных на строгом расстоянии друг от друга и образующих, таким образом, выемки и выпуклости. Могут встретиться и более глубокие выемки, когда на поверхности катализатора почему-либо отсутствуют отдельные атомы. Иными словами, мы смогли бы наблюдать довольно сложный «рельеф» поверхности катализаторов и у каждого катализатора обнаружили бы свой особый «профиль». Его характер зависит от размеров атомов и расстояний между ними. Но ведь и реагирующая молекула — будь то молекула жидкости или газа — тоже имеет свой рельеф, хотя и. более гибкий, поскольку здесь расстояние между атомами может немного увеличиваться или сокращаться (как если бы они были соединены пружинками). Впрочем, такая подвижность имеет свои пределы. Поэтому наиболее удобно расположится на поверхности катализатора та молекула, размеры атомов которой и расстояний между ними будут близки соответствующим размерам и расстояниям у катализатора — грубо говоря, если «выступы» реагирующих молекул будут совпадать с «выемками» катализатора или наоборот.
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});