Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Простая на первый взгляд реакция протекает весьма необычно. Прежде всего, она необратима, что затрудняет ее исследование, гораздо проще наблюдать равновесную реакцию, изменяя условия и тем самым сдвигая равновесие в ту или иную сторону. Оказалось также, что реакция имеет колебательный характер, проще говоря, пульсирует.

Существует близкая аналогия этого процесса – взаимоотношения хищников и травоядных, что далее рассмотрим на примере зайцев и рысей (рис. 5.24).

Установлено, что поголовье обоих видов (при условии, что человек не вмешивается в этот процесс) «пульсирует» определенным образом. При увеличении количества зайцев растет поголовье рыси, поскольку источник питания возрастает. Это приводит к заметному истреблению зайцев, их количество снижается, в результате отдельные особи рысей не получают пищи и их количество начинает уменьшаться. «Пульсация» происходит с периодом приблизительно 10 лет. На показанном на рисунке 5.25 графике видно, что максимумы кривых не совпадают – изменение поголовья рыси немного отстает по времени от той же величины у зайцев, что очень характерно для подобных колебательных процессов.

Интересная деталь: сосчитать, как меняется количество особей каждого вида в течение времени, непросто; Эртль, будучи ученым, просто взял статистику того, как изменялось со временем количество шкурок зайцев и рысей, сданных в компанию Hudson’s Bay.

Картину, похожую на ту, что показана на графике, Эртль обнаружил, изучая окисление СО на платиновом катализаторе с использованием современных спектральных методов. В результате он установил, что в тот момент, когда на отдельных участках каталитической поверхности концентрация СО превышает определенную величину, происходит перестройка поверхности катализатора (рис. 5.26).

Процесс изменения поверхности обратим, и при снижении концентрации СО до величины 0,2 моль/л поверхность приходит в прежнее состояние. Перестройка поверхности несколько отстает по времени от изменения концентрации СО, как и в случае с поголовьем рысей и зайцев. В итоге можно наблюдать, как по поверхности катализатора расходятся концентрические волны, что показано на четырех последовательных снимках (рис. 5.27).

Наблюдаемая картина по-своему красива и весьма необычна, поскольку показывает перестройку поверхности твердого тела под действием газообразного реагента. Фактически Эртль обнаружил неизвестное ранее явление – «химические волны» на поверхности катализатора. Проведенное Эртлем детальное изучение механизма этого процесса открывает пути к разработке катализаторов нового типа для подобных процессов.

Диапазон научного поиска

По разработанной схеме Эртль исследовал много различных каталитических процессов, причем преимущественно таких, которые можно считать основополагающими. Прежде всего, это каталитическое окисление аммиака на платинородиевом катализаторе (процесс Оствальда). С помощью этого процесса перерабатывают основную массу аммиака, синтезированного по способу Габера – Боша.

Эртль исследовал не только все основные стадии, приводящие к получению азотной кислоты:

4 NH₃ + 5 O₂ → 4 NO + 6 H₂O,

2 NO + O₂ → 2 NO₂,

3 NO₂ + H₂O → 2 HNO₃ + NO,

но и все побочные реакции:

2 NH₃ + 2 O₂ → N₂O + 3 H₂O,

4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O,

4 NH₃ + 6 NO → 5 N₂ + 6 H₂O.

Проведенные Эртлем исследования реакций, происходящих на поверхности, далеко выходят за рамки интересов химической индустрии, найденные закономерности могут быть использованы в описании процессов коррозии (ржавление), в очистке сточных вод и в совершенствовании топливных элементов. Химия поверхности может даже объяснить причины разрушения озонового слоя, поскольку соответствующие реакции протекают на поверхностях кристалликов льда в стратосфере.

Итак, Эртль начал разрабатывать свои экспериментальные методы, взяв за основу технологии полупроводниковых производств. В свою очередь, созданные им изящные, необычайно тонкие приемы исследования – установки для получения высокого вакуума, приемы для получения сверхчистых поверхностей – оказались нужны в современной электронике и дали толчок развитию новых полупроводниковых технологий, которые сейчас стали нормой в производстве микропроцессоров.

Подведем итоги. Г. Эртль не открыл новый класс соединений или реакций, не создал новые катализаторы или лекарства, но показал, как можно детально изучать химические процессы, чтобы потом уверенно ими управлять.