Исторические сведения о катализе

Химия и катализ в настоящее время являются неотделимыми понятиями. Производство практически всех соединений основывается на применении катализаторов. Они позволяют осуществлять такие химические превращения, которые в отсутствии катализаторов вообще не могут быть осуществлены. Катализ является одной из наиболее развивающейся области в химии. Свидетельством этого является то, что рассмотрению проблем катализа в химии посвящено несколько миллионов научных работ. Человечество начало использовать каталитические процессы в своей практической деятельности много веков назад. Уже в глубокой древности были освоены такие производства, как виноделие, пивоварение, получение уксуса, изготовление сыров, где использовался один из сложнейших видов катализа – ферментативный катализ.

Как отдельный термин слово «катализ» появилось в XVIвеке. Оно было введено в практику А.Либавием в его книге «Алхимия».

Либавий Андреас (около 1550-1616 г.г.) – немецкий химик и врач. Автор книги «Алхимия» (1597 г.), которая считается первыь учебником по химии. В ней Либавий дал развернутые характеристики известным к тому времени веществам, привел способы их получения, в частности, серной и соляной кислот, царской водки, сульфата аммония и др. Любавий впервые получил безводное четыреххлористое олово, и,как отмечают, удивлял

других алхимиков «дымом», исходящим из жидкого SnCl₄. Позднее это соединение получило название дымящего спирта Либавия.

В книге «Алхимия» Либавий привел чертежи химической лаборатории, описал химическую аппаратуру и посуду, нагревательные приборы. Либавий занимался и вопросами медицины, причем придерживался представлений ятрохимии, рассматривавшей причины возникновения болезней как результат нарушения химических равновесий в организме.

Термин «катализ», введенный Либавием, не имел того смысла, который вкладывается в него в настоящее время. Либавий использовал этот термин для обозначения процессов разложения, разрушения. Современный смысл термину «катализ» придал Берцелиус.

Берцелиус Йенес Якоб (1779-1848 г.г.) – видный шведский химик, один из основателей современной химии. Экспериментально проверил и доказал достоверность законов постоянства составов и кратных отношений. Определил атомные веса большого количества элементов. Ввел используемую в настоящее время символику обозначения элементов и химических соединений. Открыл ряд новых элементов (церий, селен, торий). Первый составил электрохимический ряд напряжений элементов. Открыл изомерию органических

соединений.Берцелиус являлся почетным иностранным членом Петербургской Академии наук (1820 г.). Имел титул барона.

В марте 1835 г. Берцелиус представил Шведской Академии наук доклад с обзором достижений в области физики и химии. В этом докладе Берцелиус, обобщая многочисленные экспериментальные данные, приходит к выводу, что существуют такие превращения, которые не протекают сами по себе, но взаимодействие осуществляется в присутствии посторонних тел. Берцелиус отмечает: «Итак, различные простые и сложные вещества, растворимые и нерастворимые обладают свойством оказывать на другие тела действие, весьма отличное от химического сродства. Они производят в этих телах разложение на составные элементы, а также вызывают различные новые сочетания этих элементов, причем сами остаются неизменными. … Тело, вызвавшее здесь обмен составных элементов сделало это не потому, что приняло участие в новых соединениях; оно осталось неизменным и действовало, следовательно, при помощи внутренне присущей ему силы, природа которой нам еще неизвестна… Я назову ее каталитической силой тел, а распадение при ее помощи – катализом».

Термин «каталитическая сила», использованный Берцелиусом, имел определенный миcтический налет. Для понимания того, почему в тех или иных реакциях наблюдается явление катализа, требовалось знание механизма превращений, факторов, определяющих реакционную способность. Эти сведения в химии на момент формулирования Берцелиусом своих основных положений отсутствовали. Однако достаточно скоро было показано, что тела, обладающие «каталитической силой» - катализаторы – образуют с реагентами вполне определенные соединения, которые обладают повышенной реакционной способностью. Эти наблюдения положили начало целенаправленному исследованию явления катализа.

В настоящее время каталитические процессы стали важнейшими в самых различных отраслях химии. Важность катализа в современной жизни человеческого общества можно оценить из того факта, что в таких странах мира, как США, Япония, Германия, треть валового внутреннего продукта производится в сфере использования каталитических химических технологий.

Эффективность использования каталитических процессов иллюстрирует следующий пример. Широко распространенным способом получения метилметакрилата, распространенного мономера, является следующая схема:

Этот путь многостадиен. Он связан с использованием высокотоксичной синильной кислоты. В качестве отхода в этом процессе образуется много сульфата аммония.

Более совершенный способ получения метилметакрилата основан на одностадийном каталитическом процессе – на взаимодействии метилацетилена с окисью углерода в присутствии ацетата палладия:

Данный процесс протекает при 60-80°С и давлении 6 МПа. 1 грамм катализатора обеспечивает получение 100 000 молей метилметакрилата в час. Рассматриваемый метод особо привлекателен тем, что здесь в качестве сырья используются соединения, которые все являются продуктами газохимии.

Российские химики вносили и вносят достойный вклад разработку новых каталитических процессов, совершенствование теоретических представлений о катализе. Уже в 1811 г. Кирхгофом Константином Сигизмундовичем (1764-1833 г.г.) было открыто явление кислотнокатализируемого гидролиза высших углеводов (целлюлозы) с образованием крахмала. Этот процесс до настоящего времени имеет важное промышленное значение. Гесс ГерманИванович (1802-1850 г.г.) открыл

Кирхгоф К.С.	Гесс Г.И.
Зинин Н.Н.	Густавсон Г.Г.

каталитические свойства платины. В настоящее время платиновые катализаторы являются одними из наиболее широко используемых. Зинин Николай Николаевич обнаружил каталитический характер бензидиновой перегруппировки. Тем самым был разработан метод получения 4,4¢-диаминодиарилов, которые являются важными мономерами для получения полиамидов. Густавсон Гавриил Гавриилович (1843-1908 г.г.) первым ввел в органическую химию хлористый алюминий как катализатор. Этот катализатор до настоящего времени находит широкое применение в химических технологиях.

Развитие химии каталитических процессов в СССР связано с именем известного химика-органика Зелинского Николая Дмитриевича [9]. Зелинский Н.Д. возглавлял в Институте органической химии (г.Москва) крупнейший отдел, куда входила группа органического катализа, которая разрабатывала каталитические нефтехимические процессы, и группа синтетических каучуков, которая исследовала каталитические способы получения мономеров и каучуков.

Зелинский Н.Д.

В 1939 г. эти группы были преобразованы в лабораторию каталитического синтеза и лабораторию кинетики контактных органических реакций, которые возглавлялись Казанским Б.А. (1881-1973 г.г.) и Баландином А.А. (1898-1967 г.г.) соответственно. Оба они стали впоследствии академиками АН СССР. В стенах Института органической химии были разработаны много промышленно важных каталитических процессов (ароматизация углеводородов; получение трет-бутилбензола из бутиленовой фракции; антрахиноновый способ получения перекиси водорода; получение бутадиена из С₄-фракции углеводородов; получение стирола; ароматизация этана и этилена на цеолитах; синтез бутена-1 из этилена и.т.д.). Институту органической химии впоследствии было присвоено имя Зелинского Н.Д.

Самой крупной научной организацией, специализирующейся в области катализа в России в настоящее время является Институт катализа им Г.К.Борескова СО РАН (г.Новосибирск), который был основан в 1958 г.Основным направлением деятельности Института катализа СО РАН является проведение фундаментальных научных исследований в области катализа и смежных наук, которые позволяют открывать новые пути осуществления химических превращений.