Катализаторы

Некоторые реакции никак не идут без посторонней помощи. Их нужно подталкивать. Некоторые простые и сложные вещества могут оказывать такую помощь - они называются катализаторами. В промышленности катализаторы зачастую - металлы, их применяют для ускорения реакций. В наших телах тоже задействованы крошечные количества металлов, содержащихся в молекулах, именуемых ферментами, - эти молекулы ускоряют биологические процессы.

В феврале 2011 года врачи больницы Принца Чарлза в Брисбене приняли 73-летнюю даму с артритом, которая жаловалась на головокружение, рвоту, головные боли, подавленность и анорексию. Ни один из этих симптомов под ее основной диагноз не подходил и не проистекал из перенесенной ею за пять лет до этого операции по замене бедренного сустава. Сделав кое-какие анализы, врачи увидели, что у дамы в организме повышена концентрация кобальта. Оказалось, что металлическое сочленение у нее в новом бедре отдает в кровь кобальт, и из-за этого у старушки неврологические симптомы. Кобальт — металл ядовитый. От него при контакте с кожей возникает раздражение, а если вдохнуть кобальтовую пыль — затруднение дыхания. В больших дозах от него могут произойти самые разные неприятности. И все же он нужен нам для жизни. Как и другие переходные металлы вроде меди или цинка, он необходим для действия ферментов. Ключевая роль кобальта — в витамине В₁₂, который есть в мясе и рыбе, им также подкармливают зерновые. По сути, кобальт действует как катализатор.

Помогает

Что такое «катализатор»? Вы, возможно, слышали про каталитические конвертеры в автомобилях или речевой оборот «катализировать нововведение»? У вас есть некое смутное понимание, что это означает «начать что-то». Но чтобы понять, как действует катализатор или фермент, представьте себе частицу-помощник. Допустим, вам нужно покрасить потолок, но слишком оно трудозатратно, и тогда вы злоупотребите хорошим к вам отношением и сноровкой любимого человека или соседа по квартире, чтобы кто-то все-таки начал этот процесс. Вы отправляете их купить нужную краску и валик, а сами пока собираетесь с духом. Кажется, что все как-то проще, если кто-нибудь вам помогает. Нечто подобное происходит в некоторых химических реакциях. Ну, никак они не начинаются без посторонней помощи — так же, как вы не можете начать красить без вмешательства соседа по квартире, — а благодаря участию катализатора задача кажется не такой уж непосильной. На самом же деле катализатор и впрямь уменьшает количество энергии, необходимое для того, чтобы реакция началась, — из-за него реакция идет другим путем, на этом пути энергетический барьер ниже, и реагенты способны его преодолеть. Что дополнительно приятно, катализатор в реакции не расходуется, и к его помощи можно прибегать вновь и вновь.

Самая малость

В живом организме переходные металлы часто включены в состав витаминов из-за своих каталитических свойств. В₁₂ долгое время оставался загадкой — в организм он поступал, если употреблять в пищу печень: так лечили от малокровия собак и людей. Благодаря присутствию кобальта этот витамин катализирует множество различных реакций, важных для метаболизма и производства красных кровяных телец. Эту сложную структуру установили первой среди металлоферментов с помощью рентгеноструктурного анализа, и ее кропотливый труд принес Дороти Кроуфут Ходжкин Нобелевскую премию по химии 1964 года. Среди других ферментов, в которых есть переходные металлы, — цитохромоксидаза: присутствующая в ней медь помогает извлекать энергию из пищи и растениям, и животным.

«Никель, казалось... Обладает замечательным свойством гидрогенизировать этилен, а сам при этом, по-видимому, не меняется, то есть действует как катализатор» Поль Сабатье (1854-1941), французский химик, Нобелевская премия по химии (1912)

Дороти Ходжкин

Нескольким миллиграммам витамина В₁₂ у вас в организме необходимо лишь малюсенькое количество кобальта (не забываем: катализатор в реакции не расходуется). Все, что вы употребите сверх этой необходимости, может всерьез испортить вам здоровье. Той австралийской старушке заменили протез сустава на полиэтиленово-керамический, и ей полегчало буквально за несколько недель.

Густо и шустро

Переходные металлы — не только хорошие катализаторы биологических процессов. Они вообще хорошие катализаторы. Никель, серебристый металл, применяемый в производстве монет и высокоточных деталей моторов, еще и умеет катализировать реакции, в которых получаются твердые жиры вроде маргарина. Это реакции гидрогенизации — они добавляют атомы водорода к углеродсодержащим молекулам и превращают ненасыщенные углеводороды (молекулы с двойными и тройными связями) в насыщенные. На рубеже XIX и XX веков французский химик Поль Сабатье понял, что никель, кобальт, железо и медь помогают гидрогенизировать ненасыщенный ацетилен (С₂Н₂) до этана (С₂Н₆). Он принялся использовать никель как наиболее эффективный для гидрогенизации самых разных углеродсодержащих веществ. Позднее, в 1912 году, он получил Нобелевскую премию за гидрогенизацию «в присутствии тонко измельченных металлов». К тому времени пищевая промышленность уже начала применять никель как катализатор преобразования жидкого растительного масла в маргарин. Первым продуктом, содержащим рукотворный жир, стал «Криско» — марка растительного комбижира, используемого в хлебопечении.

Загвоздка с процессами, в которых участвует никель, заключается в примесях транс-жиров, частично гидрогенизированных веществ, на которых валят вину за проблемы со здоровьем у людей, включая повышенный холестерин и сердечные недуги. В начале нашего века правительства взялись решать эту проблему и ввели нормы содержания транс-жиров в пище. Ныне комбижир «Криско» транс-жиров не содержит.

Не все катализаторы — переходные металлы: множество разных других простых и сложных веществ могут ускорять химические реакции. И все же Нобелевскую премию по химии за 2005 год вручили за исследование реакций с металлокатализаторами — реакции метатезиса важны в процессах производства лекарств и пластмасс. А кобальт ныне применяется в самой передовой химии — в выделении водорода из воды для получения чистого топлива.

Каталитические конвертеры

Каталитический конвертер в автомобиле - такая штука, благодаря которой из выхлопа удаляют наиболее вредные составляющие. Ну, или, по крайней мере, превращают их в менее вредные. В каталитических конвертерах применяется в основном родий, которого в природе еще меньше, чем золота. Он помогает превратить оксиды азота в азот и воду. Палладий помогает превратить оксид углерода (угарный газ) в диоксид углерода. Да, диоксид углерода при этом, конечно, выделяется, но зато хоть не угарный газ, он для людей гораздо вреднее. В каталитическом конвертере реагенты - газы, а родий - в другой фазе, твердый. Такого рода катализаторы называются гетерогенными. Когда катализатор в той же фазе, что и реагенты, его называют гомогенным.

Фотокатализ

Фотокатализ - химическая реакция, ускоряемая светом.Этот принцип использован в самоочищающихся стеклах: грязь на них разрушается под воздействием солнечных лучей. Воистину космическая технология - разработанные НАСА фотокаталитические «скребки»: космонавты, выращивая пищевые растения на борту космических станций, применяют эти фотокатализаторы, чтобы расщеплять этилен, от которого растения гниют.