Молекулы и химические взаимодействия
343
3.5. Механизм катализа
Рассмотрение эфиродинамических особенностей структур молекул позволяет высказать определенные соображения о механизме катализа.
Как известно, катализ есть изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), как считается, вступающих в промежуточное химическое взаимодействие с реагирующими веществами, но восстанавливающих после каждого цикла промежуточных взаимодействий свой химический состав. Катализаторы существенно ускоряют ход реакций, при этом для каждого вида реагирующих веществ пригоден лишь совершенно конкретный вид катализатора. Активность катализатора прямо пропорциональна площади поверхности катализатора, в связи с чем обычно стремятся к максимально возможному дроблению вещества катализатора.
Различают гомогенный и гетерогенный катализ. В первом границы между катализатором и реагирующими веществами отсутствуют, во втором имеется граница раздела между ними. Выбор состава катализатора для определенной реакции является очень сложной проблемой, решаемой главным образом эмпирическим путем. Существует несколько теорий катализа - мульти- плетная теория, электронная теория, теория активных центров и т.п., но все они носят полуэмпирический характер и рассматривают, в основном, частные случаи [9]. Однако наиболее физически осмысленной теорией катализа является теория профессора МГУ А.А.Баландина [10-14].
А.А.Баландиным в 1929 г. была разработана мультиплетная теория катализа, основанная на предположении о структурном сходстве поверхности молекулы реагента и поверхности молекулы катализатора. Им был открыт принцип структурного и энергетического соответствия катализаторов и реагирующих веществ, легший в основу мультиплетной теории катализа. Эта теория перевела описание каталитических актов на строгий количественный уровень с учетом межатомных расстояний и валентных уг¬
344
Глава 3.
лов в каталическом (мультиплетном) комплексе и величин энергий связей между атомами реагирующего вещества и активным центром
На основе мультиплетной теории и полной классификации дублетных и триплетных реакций, известных и еще не открытых,
А.А.Баландин сумел предсказать ряд новых реакций (например, дегидрогенизацию первичных аминов в кетимины и др.) и их активные катализаторы. Он создал новое направление «Научные основы подбора катализаторов» и возглавил соответствующий Совет в Академии наук.
В лабораториях А.А.Баландина в МГУ и в ИОХ изучались не только кинетика и механизм катализа для многих реакций, но и разрабатывались катализаторы ряда промышленно важных процессов (в частности, катализаторы для получения мономеров синтетического каучука, для гидрирования и дегидрирования, дегидратации, изомеризации и пр.).
Таким образом, мультиплетная теория катализа, разработанная А.А.Баландиным, себя полностью оправдала не только как теория, но и как методология, нашедшая широкое практическое применение.
И, тем не менее, ряд вопросов остался нерешенным до настоящего времени. Основными среди них являются те, которые связаны с необходимостью выяснения физической сущности катализа.
Ни в коем случае не ставя под сомнение полезность как этой, так и других теорий, не подвергая сомнению все те соображения о механизме действия катализаторов, которые сегодня известны, целесообразно отметить некоторые дополнительные моменты, предоставляемые эфиродинамикой для решения проблемы физической сущности катализа.
Помимо первых присоединенных вихрей - электронных оболочек у каждого атома и каждой молекулы существует последовательный набор присоединенных вихрей - вторых, третьих и т.д. Каждый последующий присоединенный вихрь причиной своего возникновения имеет предыдущий, энергией которого он и пита¬
