Чтение онлайн

Замечательные исследования в коллоидной химии над искусственным коллоидом раскрыли перед нами конституцию золей. Сгустки, которые находятся в данной жидкости и образуют золь, имеют не элементарное, а сложное строение, а именно, состоят из ядра и оболочки. Эта оболочка ничтожна в сравнении с массой ядра, но она-то имеет активную роль, которая и обусловливает все явления, которые присущи коллоидам. Эта побочная часть коллоида, являясь десятитысячной частью коллоида, управляет его свойствами и образуется на счет того реактива, который послужил для образования сгустка. Наилучшим доказательством существования активной части в сгустках гидрозолей являются явления их свертывания под влиянием ничтожно малых количеств солей, невозможность отмыванием получить сгусток без всяких загрязнений и, наконец, явления вытеснения.

Изучение реакции вытеснения с гидрозолями окиси железа, сернистого мышьяка показало, что замещения происходят только в активной части коллоидов, образующих только ничтожную! часть целого и показывающих способность взаимодействия, сходную с обычными химическими реакциями. Сгустки можно рассматривать, как химические молекулы, подчиненные тем же самым правилам, как и химические молекулы кристаллов, но отличающиеся от них только сложностью одной из своих частей.

Исходя из сих соображений, к коллоидальным растворам была применена ионная теория и опыты, было доказано движение коллоидных частиц в электрическом поле и также электропроводность. Сгусток, подобно молекуле соли, является делимым, и мы должны были признать в нем два иона разных знаков; сгусток ионизирован наподобие обычных электролитов, но с той разницей, что в сгустках один из ионов во много раз превышает и по величине, и по заряду каждый из простых ионов его сопровождающих. Этот сложный ион называют ядром, ас ним связывают известное число подвижных ионов, которые являются обычным ионом К, С1 и т. д. Они при диссоциации могут быть свободными и будут находиться в меж-сгустковой жидкости; часть же подвижных ионов будет захвачена главной массой сгустка и тогда образует ядро. Необходимо еще отметить, что в гидрозолях мы имеем сгустки различных величин, и ультрафильтрация позволяет нам разделить более крупные сгустки от более мелких и от межсгустсковой жидкости. В организмах животных и растений роль фильтров играют перепонки, которые способны пропускать одни сгустки и совершенно недоступны для других.

Наконец, введение в изучение коллоидных растворов влияния осмотического давления дает возможность в настоящее время осветить целый ряд явлений коллоидной химии и в применении к биологической химии и физиологии. Стойкость гидрозоля, его свертывание, адсорбция поверхности сгустков прибавленных к гидрозолю веществ обусловливаются ионизацией и изменением осмотического давления, которое на основании опытных исследований могут быть количественно определены. Для всякого гидрозоля существует максимальное осмотическое давление, при котором он может еще существовать в жидком состоянии. До тех пор, пока не достигнуто это давление, гидрозоль можно концентрировать, но за этим пределом коллоид принимает форму гидрогеля. Все наши сведения относительно коллоидов были получены изучением искусственных коллоидов, так как они давали возможность подробно и аналитически проследить все изменения, связать физические и химические их свойства со строением и создать теорию, которая давала возможность установить количественные отношения.

Нам предстоит теперь перенести эти методы изучения на органические и естественные коллоиды, которые играют существенную роль в жизни животных и растений. К сожалению, мы не можем похвастаться добытыми результатами, и причину надо искать в нерациональности тех методов, которые применялись до сих пор в физиологической химии при исследовании биохимических процессов. Приемы, которые необходимо применить для изучения коллоидов, сводятся к определению химической природы ядра, химической природы наружных ионов, числа этих ионов, величины сгустков и состава меж-сгустковой жидкости. Применение методов диализа, фильтрации, определения осмотического давления и электролиза даст возможность в будущем приблизиться к пониманию коллоидных процессов, и об’яснить их при помощи химизма и для процессов, совершающихся в организмах, а также в некоторых технических процессах, как-то: дубление кожи, крашение и т. д. В результате мы получим выводы, которыми впоследствии воспользуется наука не только для об’яснения целого ряда химических процессов, но они будут иметь большое и важное значение в физиологической и биологической химии. Те старые толкования, которые мы придавали тому или другому ферменту или энзиму, должны быть пересмотрены после того, как в коллоидную химию будут введены указанные методы. Тогда, напр., тот-же диастаз явится только носителем особой пленки, в которой и сосредоточено в ничтожном количестве вещество, обуславливающее ту реакцию, которую мы в настоящее время приписываем самому диастазу.

Вы видите, как все законы, управляющие разноречивыми явлениями мира, подобны. Если мы предполагаем, что в ядре атома заложено положительное электричество, которое составляет существенную часть атома, но зато и самую инертную', то мы должны были принять, что все химические функции атома зависят, главным образом, от тех легчайших электронов, которые находятся на его периферии. Сходство в наших совре-

624

L

менных представлениях о строении атома и конституции сгустка золя с его пленкой в высшей степени поразительно. Ядро сгустка является только носителем ничтожной активной пленки, за счет которой совершаются все реакции со сгустком.

Мы можем здесь провести параллель между указанными коллоидными явлениями и теми явлениями, которые были открыты 30 лет тому назад Бухнером, который указал, что явление брожения происходит не вследствие жизнедеятельности ферментов, а вследствие присутствия некоторых веществ, находящихся в них в ничтожном количестве, которые он назвал зимазой. Если действительно разрушить организмы, прервать в них жизнь, то они тем не менее будут вызывать те же процессы брожения органических веществ, какие производят живые ферменты. Организм сам вырабатывает это вещество, сам-же является только его носителем.

Вы знаете, какой полный параллелизм мы находим в различных областях химии, и если физико-химические методы мы будем применять в явлениях катализа, то, несомненно, успех в понимании каталитических реакций будет обеспечен.

Обращаясь теперь к явлениям катализа, мы должны видеть много сходного с явлениями коллоидной химии и адсорбции. Каталитические реакции могут происходить в гомогенной и гетерогенной среде, и эти виды катализа, конечно, будут существенно отличаться друг от друга и потребуют для своего об’яснения различных методов исследования. Вообще надо заметить, что характер каталитических процессов настолько разнообразен, что подыскать какую-нибудь теорию так же невозможно, как нельзя искать общую схему течения разнообразных химических процессов.

В этой речи я не в состоянии касаться даже в общих чертах тех теорий, которые существуют ныне для об’яснения хода каталитических реакций. Я позволю! себе обратить ваше внимание только на один вид гетерогенного катализа, который впервые был открыт мною 25 лет тому назад. Я имею в виду дегидрогенизацию алкоголей и дегидратацию алкоголей.

Для об’яснения каталитической дегидрогенизации алко-голей под влиянием металлов и их окислов, а также дегидратации спиртов под влиянием глинозема мною был высказан взгляд о необходимости искать химизм в явлениях катализа и об’яснять каталитические свойства того или другого вещества при помощи присущих ему химических свойств. С самого начала мною было указано, что введением катализатора мы сильно понижаем температуру, при которой происходит каталитическая реакция. Для течения данной реакции, хотя бы и экзотермической, требуется затрата определенной тепловой энергии, которая нужна и для сообщения импульса для начала реакции, и для того, чтобы катализатор мог проявить свое химическое действие. Одна затрата определенного количества тепловой энергии, как показывают опыты, не вызывает, например, разложения органического вещества; гораздо меньшее количество затраченной тепловой энергии при участии катализатора (неизменяемого по окончании процесса) может вызвать распад органического соединения, а потому естественно является предположение, что катализатор трансформирует тепловую' энергию в химическую, что и обуславливает ход процесса при гораздо низшей температуре.

Потенциал химической энергии катализатора при известных условиях может быть очень мал. Катализатор может быть инертным веществом, но если его привести в соприкосновение с определенным веществом, то при известном его физическом состоянии, при известных условиях факторов давления и температуры, при затрате известного количества другой энергии, например, тепловой, можно при посредстве его вызвать химическую реакцию. Оппенгеймер высказывает аналогичный взгляд на фермент, как трансформатор энергии. В своем определении понятия «фермент» он говорит, что своеобразная энергия,- материальным субстратом которой является фермент, в состоянии освободить скрытую энергию химического вещества и произвести ее превращение в кинетическую энергию. В химических свойствах глинозема мы должны видеть об’ясне-ние его дегидратирующих каталитических свойств. Глинозем способен соединяться с водой экзотермически; но, чтобы отнять воду от спирта, нужна определенная температура13).

Но приняв воду, глинозем должен в этот же момент ее отдать, если он будет играть роль катализатора. Чтобы совершить с громадной скоростью такую двойную реакцию, — взять воду и ее отдать, — он должен обладать определенными физическими свойствами. Глинозем должен быть в таком состоянии, что должен обладать максимальной адсорбцией. Согласно теоретических воззрений на явление адсорбции, мы должны придти, согласно взглядам Фарадея, Томсона и за последнее время И. Лангмюра, к допущению существования на поверхности катализатора очень тонких (молекулярных) адсорбированных пленок. «Повидимому, — говорит Лангмюр, — эти пленки состоят из молекул, и обычные (первичные) единицы средства не принимают участия в их образовании. Действующие при адсорбции силы зависят от рассеянного силового поля, существующего около молекул, но здесь не происходит никаких коренных перегрупировок электронов. Силы эти по всей вероятности похожи на те, которые действуют при образовании гидратов». Адсорбция обусловливает только временную! задержку молекулы на поверхности между моментом конденсации и моментом испарения. Так как очень сходные по своим физикохимическим свойствам адсорберы не вызывают одних и тех же каталитических процессов, то мы должны признать с несомненностью, что и адсорбируемые пленки ведут себя специфично, а отсюда явствует, что адсорбция зависит от типически химического взаимодействия.

Все высказанные здесь мысли современных физико-хими-ков мало что прибавляют к тем представлениям, которые слагались четверть века назад при открытии различных видов катализа в органической химии. Если прилагать адсорбцию к об’яснению явления катализа, то, казалось бы, что хорошие адсорберы должны быть хорошими катализаторами, чего на самом деле нет. Два сходных вещества: кремнезем и глинозем очень разно относятся к дегидратации спиртов, несмотря на то, что оба коллоида способны адсорбировать почти одинаковые количества воды.