 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
132
катализаторы. Они применяются, например, для производства высокооктанового бензина в
результате крекинга и для превращения полученного из древесины метанола в бензин.
Давно известно, что чрезвычайно малых размеров частицы, состоящие всего лишь из
нескольких тысяч атомов, могут активно катализировать превращения углеводородов
(производство топлив) и реакцию синтеза аммиака из азота (производство удобрений). Такие
частицы обладают каталитическими свойствами, если они получены из металлов: кобальт, никель,
родий, палладий и платина. Все эти металлы являются очень дорогостоящими, поэтому разработка
более дешевых и широко доступных катализаторов представляет практический интерес.
Производству нужны такие катализаторы, которые позволили бы превращать имеющееся в
изобилии и дешевое сырье в более ценные и полезные соединения, а именно превращать азот в
нитраты (производство минеральных удобрений), уголь в углеводороды (производство топлива),
соединения с одним атомом углерода – моноксид в диоксид углерода, метан и метанол в
соединения с двумя атомами углерода – этилен, этан, уксусную кислоту и этиленгликоль
(промышленное сырье).
Для сохранения окружающей среды нужны не только каталитические конверторы для очистки
выхлопных газов автомобилей, но и эффективные катализаторы для удаления оксидов серы из
заводских дымов, очистки воды и т. п.
Гомогенный катализ
Часто гомогенные катализаторы представляют собой сложные металлосодержащие
молекулярные соединения, структура которых позволяет осуществить тонкую настройку
реакционной способности реагентов и достичь высокой селективности. Один из
крупномасштабных промышленных процессов с применением гомогенного катализа – это
частичное окисление параксилола и превращение его в терефталевую кислоту (см. рис. 6.2). В
таком процессе катализатором служат соли кобальта и марганца. Большая часть конечного
продукта подвергается самополимеризации с этиленгликолем и используется для производства
полиэфирных тканей, корда для шин, контейнеров для соды и многих других полезных изделий. В
промышленном процессе производства уксусной кислоты из метанола и моноксида углерода роль
катализатора выполняет дикарбонилдииодид родия, позволяющий получить около 99% целевого
продукта.
В качестве промышленного сырья было бы весьма заманчиво использовать некоторые широко
распространенные вещества, включая азот, моноксид и диоксид углерода и метан. Однако это
относительно инертные вещества, и для их участия в реакции нужны эффективные катализаторы.
Для такой цели весьма перспективно применение растворимых металло-органических соединений.
Например, при помощи растворимых соединений молекулярного азота с оловом и молибденом
удается осуществить синтез аммиака. Химические связи углерод–водород в соединениях типа
метана и этана, нереакционных в обычных условиях, разрываются родий-, рений-,
иридийорганическими комплексами, и тем самым повышается их реакционная способность.
Одно из направлений катализа связано с синтезом молекул, ядро которых состоит из
нескольких химически связанных атомов металла. Из таких молекул формируются кластеры,
размеры которых больше, чем молекул гомогенных катализаторов, но меньше, чем частиц
металла, служащих гетерогенным катализатором. Во многих металлах – активных гетерогенных
катализаторах,– а именно в таких, как родий, платина, осмий, рутений и иридий обнаруживается
способность к образованию кластеров. Существует ряд кластеров, получивших название кубаны.
Ядро молекул кубанов состоит из четырех атомов металла и четырех атомов серы, расположенных
в вершинах куба. Структура кубаны получена для железа, никеля, вольфрама и других металлов. К