Зелинский

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.

Часто разными способами (посредством радиоактивного облучения, воздействием высоких температур и растворителями) изменяют «рельеф» поверхности катализатора с тем, чтобы молекула могла расположиться на ней как можно удобнее. При этом атомы реагирующих молекул, устремляясь в «выемку», прикрепляются прочными связями к катализатору. Один или несколько атомов-«выступов» образуют «активные центры». Прикрепившись к двум соседним атомам двух активных центров и удобно устроившись, две молекулы начинают «завязывать знакомство» друг с другом, что и кончается обычно разрывом старых связей и образованием новых. Образовавшиеся новые молекулы покидают затем поверхность катализатора, уступая ее другим парам.

А что, если атомы реагирующей молекулы не захотят расстаться с поверхностью катализатора?

Это вполне возможный случай, но тогда реакция остановится.

Может случиться и так, что вновь образовавшиеся молекулы, хотя и с неохотой, все же будут покидать поверхность катализатора, уступая ее другим молекулам. При этом реакция будет идти медленно. И, наконец, реакция пойдет быстро, если реагирующие атомы легче отрываются от катализатора, чем друг от друга. Это условие называется принципом энергетического соответствия. Только тогда, когда выполняются оба условия, то есть соблюдается принцип структурного и энергетического соответствия, вещество, ускоряющее реакцию, может в полной мере выполнить свое призвание катализатора.

Есть реакции, для осуществления которых необходимо возникновение нескольких активных центров. Так, — например, для шестичленного циклического углеводорода предполагается образование секстетного комплекса, в котором участвуют шесть атомов поверхности катализатора; наилучшим катализатором в этом случае будет металл с октаэдрическими гранями. Вот почему описанная выше теория катализа, близко примыкающая к воззрениям Н. Д. Зелинского, разрабатываемая академиком А. А. Баландиным, называется мультиплетной («мульти» значит «несколько»).

Как мы видели, мультиплетная теория дает возможность заранее теоретически предсказать, какой тип катализатора должен быть выбран для каждого процесса.

А для практического использования катализа исключительное значение имело открытие Николаем Дмитриевичем причин падения активности и «отравления» катализаторов.