Эфир и химические реакции. Катализ

Теоретическая химия в своем развитии прошла путь от «набора рецептов» по превращению веществ, электронной (атомной) химии и до квантовой химии. Сторонники квантовой химии утверждают, что электронная химия основана на примитивных представлениях об электроне, а все химические явления теоретически позволяет определить только квантовая химия.

Так, существующая теория химических связей, химических реакций и катализа предполагает, что основной энергетический вклад в энергию ковалентной химической связи вносит так называемая обменная энергия, обусловленная, в первую очередь, квантомеханическими эффектами. Эти энергетические затраты являются собственно энергией активации, а состояние, которого достигают реагирующие частицы (атомы, молекулы) после преодоления обменного отталкивания, называется переходным. Скорость химической реакции определяется вероятностью достижения реагирующими частицами переходного состояния (энергией активации).

Существует ряд частных теорий химических связей: теория валентных связей, теория молекулярных орбиталей и др., но все они основаны на движении электронов вокруг ядра атома. Поэтому в этих теориях химических связей единственными силами, стягивающими атомы в молекулы, являются кулоновские силы притяжения ядер к электронам между ними. Вместе с тем, вклад классического кулоновского взаимодействия в энергию химической связи, составляет примерно 10% (~ 10 кДж для H2), а более 70% вклада в эту энергию вносит энергия, которую иногда называют несиловой [33].

Предполагается, что природа несиловой энергии — электростатическая, но она не имеет наглядного физического толкования.

Таким образом, современная химическая наука без учета существования эфирных полей у каждого атома и молекулы и их основной роли в обеспечении химических связей не в состоянии объяснить природу несиловой энергии, которая основана на взаимодействии эфирных полей взаимодействующих частиц. Существование эфирных полей атомов и молекул и их определяющая роль в химических реакциях подтверждается, например, следующими данными. Известно, что атомы, из которых состоят молекулы, имеют линейчатые спектры. В отличие от атомных спектров, испускания ковалентной молекулы являются не линейчатыми, а полосатыми, которые состоят из множества линий, сливающихся в полосы. Эти линии в видимой и ультрафиолетовой областях спектра невозможно интерпретировать как простые вращательные или вращательно-колебательные спектры, так как их частота слишком велика. Так, например, количество линий для атома водорода около 100, а для молекулы водорода — более 4000. Все это говорит о том, что спектры испускания атомов и молекул в основном определяются колебательными процессами, происходящими в их эфирных полях (колебательными и вращательными движениями эфитонов). При этом эфирные поля являются своеобразными «волнами-пилотами» для электронов, атомов и молекул:

В процессе химических реакций осуществляется взаимодействие эфирных полей частиц, участвующих в этих реакциях: объединение полей атомов при их синтезе с образованием полей молекул, распад эфирных полей молекул при их диссоциации с последующим разъединением эфирных полей атомов. Роль эфирных полей в химических реакциях хорошо прослеживается в явлениях катализа и автокатализа.

Согласно современным научным представлениям, под катализом понимается изменение скорости химических реакций в присутствии веществ (катализаторов), вступающих в «промежуточное взаимодействие» с реагирующими веществами, но восстанавливающих к концу превращения свой состав.

В общей теории катализа роль катализатора сводится к изменению механизма переходного состояния. Существует большое количество теорий катализа: мультиплетная, электронная, цепная, компенсационная и др.

Так, мультиплетная теория катализа предполагает промежуточное взаимодействие реагирующих веществ с несколькими атомами на поверхности твёрдых катализаторов и придаёт решающее значение соответствию расстояний между атомами в молекулах реактантов и расстояний между атомами кристаллической решетки катализатора.

В 50-х гг. прошлого века значительное распространение получила электронная теория катализа, которая основывается на представлении

о              зависимости каталитической активности твёрдых катализаторов, обладающих полупроводниковыми свойствами, от их электрических характеристик. Эта теория предполагает, что промежуточное взаимодействие реакгантов с катализатором Осуществляется при участии электронов проводимости твёрдого катализатора.

Все теории катализа, как правило, сводятся к объяснению механизма снижения энергии активации в присутствии катализаторов. Поэтому исследования по выяснению механизма снижения энергии активации катализаторами в химических реакциях, в плане их углубления, до сих пор продолжаются.

Различают катализ положительный и отрицательный. Положительным называют катализ, при котором скорость реакции возрастает, отрицательным (ингибированием) — катализ, при котором скорость реакции снижается. Примером положительного катализа может служить процесс окисления аммиака на платине при получении азотной кислоты. Примером отрицательного — снижение скорости коррозии при введении в жидкость, в которой эксплуатируется металл, нитрита натрия, хромата и дихромата калия.

В зависимости от фазового состояния реагирующих веществ и катализатора различают гомогенный и гетерогенный катализ. При гомогенном катализе катализатор и реагирующие вещества образуют одну однородную среду, в которой границы раздела мезкду катализатором и реагирующими веществами отсутствуют (жидкость, газообразная среда).

Как при гомогенным, так и при гетерогенном катализе, узловым вопросом является раскрытие механизма «промежуточного взаимодействия» катализатора с реактантами. Это некая химическая реакция атомов катализатора с реагирующими (исходными) веществами или что-то другое? Если это химическая реакция, то часть атомов катализатора будет расходоваться, но результаты исследований говорят об обратном. Количество реагирующего вещества, которое может испытать превращение в присутствии определённого количества катализатора, не ограничивается какими-либо соотношениями и может быть очень большим.

Рассмотрим гетерогенный катализ, суть которого состоит в следующем. Берутся вещества, которые, согласно теории, должны вступать в реакцию и образовывать химическое соединение. Смесь перемешиваются, создаются необходимые температурные условия и давление, а реакция не идет или идет очень и очень медленно. Тогда берется третье вещество, называемое катализатором, с достаточно большой поверхностью, и вдоль этой поверхности начинают пропускать смесь исходных веществ. И наступает чудо — скорость реакции резко возрастает даже при более низких температурах и давлениях. В качестве подобных катализаторов используются металлы платиновой группы, железо, алюмосиликаты и другие вещества. Вдоль поверхностей катализаторов можно пропускать большое количество исходных веществ, получить тонны конечного продукта, а катализатор не срабатывается.

Приведем следующий пример гетерогенного катализа. Возьмем в качестве исходных веществ аммиак и кислород. Соединим их и нагреем. Согласно теории, из одной молекулы аммиака и двух молекул кислорода должны образоваться молекула азотной кислоты и молекула воды:

NH3 + 202 —gt; HNO3 + H2O.

Однако реакция протекает очень медленно. Теперь пропустим смесь исходных веществ над поверхностью платины, и скорость химической реакции резко возрастает. Почему это происходит?

Согласно вышеприведенному определению катализа атомы платины должны образовывать с атомами аммиака и кислорода какие-то промежуточные соединения. Ho платина — это стойкое вещество и в химические реакции с аммиаком и кислородом не вступает. Если бы она вступала в химическую реакцию, то часть ее атомов уносилась раствором, и платина срабатывалась бы, но этого не происходит. Отсюда .напрашивается вывод: «промежуточное взаимодействие» катализатора с исходными веществами — это не химическое взаимодействие, а эфирное!

Эфирные поля аммиака и кислорода плохо взаимодействуют между собой, и поэтому химическая реакция с образованием азотной кислоты идет слабо. Ho как только на их поля начинает воздействовать эфирное

7—1212 поле платины, скорость химической реакции резко возрастает, т.е. в химических реакциях эфирное поле катализатора выполняет своеобразную роль «объединителя» эфирных полей исходных веществ в эфирное поле получаемого продукта. Катализаторы своим эфирным полем могут, как ускорять ход химической реакции, так замедлять ее. Как в генераторе поле постоянного магнита остается постоянным (не зависит от времени работы генератора), так и в катализаторе эфирное поле не зависит от количества пропускаемых через него исходных веществ (катализатор не срабатывается).

При химических реакциях взаимодействие эфирных полей исходных материалов (реагентов) играет определяющую роль, и это очень хорошо прослеживается в явлении автокатализа, в котором роль катализатора выполняет сам конечный продукт. В данном случае при смешивании реагентов химическая реакция не идет до того момента, когда образуется хотя бы одна молекула конечного продукта или до внесения в раствор небольшого количества этого продукта (капли). После этого скорость химической реакции начинает лавинообразно возрастать.

Рассмотрим возможный механизм катализа, в котором роль катализатора сводится к объединению эфирных полей, участвующих в реакции химических элементов. Основным фактором, определяющим скорость любого химического превращения, является энергия активации (E) — разность энергий исходных молекул, участвующих в химической реакции. Скорость реакции тем больше, чем меньше Е, и вследствие экспоненциальной зависимости от Е, она значительно возрастает даже при небольшом снижении Е.

В свою очередь, энергия каждой молекулы определяется энергетическими характеристиками ее эфирного поля. В процессе химических реакций у взаимодействующих молекул происходит изменение существующих у них эфирных полей и формирование эфирного поля вновь образованной молекулы.

Пусть имеем два химических элемента, участвующих в реакции, у которых частота колебаний эфитонов в их эфирных полях равны F1 и F2. И пусть F1 gt; F2. Тогда величина E будет пропорциональна величине AF = F1 — F2. Чем меньше AF, тем меньше E и, соответственно, выше скорость химической реакции, и наоборот — чем больше AF, тем ниже скорость реакции, а при некоторых граничных значениях AFrp химическая реакция прекращается или сильно замедляется. В этих условиях при положительном катализе в качестве катализатора может выступать вещество, у которого частота колебаний эфитонов его эфирного поля Fk будет удовлетворять следующему условию F1 gt; Fk gt; Fr Тогда эфирное поле катализатора, складываясь с эфирными полями молекул, будет понижать частоту колебаний F1 и увеличивать частоту колебаний F2, т.е. уменьшать величину AF, и тем самым снижать величину энергии активации Е.

Если же AF lt;AFrp (химическая реакция может протекать без участия катализатора), то при внесении вещества, у которого Fk gt; F1 или Fk lt; lt; F2, может наблюдаться отрицательный катализ. В этом случае эфирное поле катализатора будет увеличивать F1 или уменьшать F2. В результате чего увеличивается AF, растет энергия активации, замедляется (или останавливается) скорость химической реакции.

Таким образов, с позиции гипотезы эфирной природы физической материи в протекании всех химических реакций энергия активации (более, чем на 70%) определяется взаимодействием эфирных полей реактантов.