Каталитическое горение

Каталитическое горение пропан-бутановой смеси над платиной (проволока) 
Catalytic combustion of propane-butane mixture over platinum (wire) 
Платиновые металлы - хорошие катализаторы для многих окислительно-восстановительных процессов. Например, для реакций окисления водорода, аммиака и органических веществ кислородом воздуха. Для этой цели чаще всего используют платину и палладий. Компактные металлы также имеют хорошую активность, но еще более высокую активность проявляет платиновая и палладиевая чернь - мелкодисперсные порошки металлов. Поскольку платиновые металлы и их соединения имеют высокую стоимость и не всегда доступны (независимо от факта наличия денег на их покупку), в лабораторной практике и в промышленности часто используют пропитку пористых носителей солями платины и палладия с последующим их восстановлением до металла. Таким простым способом удается не только сэкономить платину и палладий, но и увеличить поверхность катализатора. 

Мои эксперименты начались с того, что я пытался припаять платиновую проволочку к стеклянной палочке. Особенность платины в том, что она имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому для стекла. Поэтому платиновую проволоку можно припаять к стеклу, а после охлаждения место спая не треснет. С другими металлами такое не получается: у них другой коэффициент термического расширения. В результате после охлаждения возникает напряжение, и стекло трескается, т.к. стекло и металл сокращают свои размеры при охлаждении в разной степени. Исключение составляют специальный сплав платинит (железо и никель или железо, кобальт и никель), который также имеет коэффициент термического расширения близкий к таковому у стекла, в частности, этот сплав используется в лампочках накаливания для впайки проволоки в стекло. 

Процедура пайки предельно проста: нагреть конец стеклянной палочки до размягчения, раскалить платиновую проволочку и соединить их. Мешало разве что то, что проволочка была тонкой, а, следовательно, мягкой (платина - вообще мягкий металл). 

Для работы использовал польскую горелку, которая работала на пропан-бутановой смеси и давала горячее, синее пламя (углеводороды перед подачей в пламя в этой горелке хорошо смешивались с воздухом). 

Заметил, что платиновая проволочка быстро и сильно раскалялась в пламени газовой горелки. - Это было очень непривычно, если сравнивать с медью и железом. Явно дело в том, что поверхность платины выступает катализатором окисления пропана и бутана, поэтому на проволочке выделяется тепло. 

Но и это еще не все: на поверхности платины возможно беспламенное горение водорода, аммиака, углеводородов, спиртов и других органических веществ. Явление исключительно красивое: поверхность катализатора сильно раскаляется, а объемного пламени нет (или почти нет). Раньше пришлось делать преимущественно опыты по каталитическому горению на поверхности оксида хрома (III) и металлической меди [1] - эксперименты красивые, но оксид трехвалентного хрома и медь - далеко не самые активные и удобные катализаторы. Их преимущество разве что в доступности. 

Разумеется, когда под рукой была платиновая проволочка, я не смог устоять. Собственно, и делать специально ничего не нужно было: платиновая проволока уже внесена в пламя пропан-бутановой смеси. Я просто перекрыл на короткое время подачу газа, а потом снова открыл кран подачи: нужно сделать так пламя погасло, но проволока не успела остыть и осталась раскаленной. В результате, когда подача газа была восстановлена, проволока оставалась раскаленной - по тех пор, пока на нее попадает струя смеси углеводородов и воздуха. Наблюдалось беспламенное (поверхностное горение) углеводородов на платиновом катализаторе. Если ослабить подачу газа, накал проволоки (и размер раскаленной зоны) уменьшался, а если поток газа усиливать, накал сначала усиливался, потом уменьшался (за счет увеличения уноса тепла потоком). 

Все хорошо, плохо только то, что проволочка для таких опытов не рассчитана: она имеет слишком маленькую поверхность и массу. Маленькая поверхность - маленький размер зоны горения (большая часть газа просто уходила в воздух помещения без изменений, не встретив на своем пути платиновый катализатор). Маленькая масса - маленькая тепловая инерция: когда мы гасим пламя, проволочка быстро остывает, иногда она успевала остыть ДО того момента, когда подача газа на поверхность платины восстанавливалась. Разумеется, в этом случае никакого каталитического горения не наблюдалась: пламя приходилось зажигать заново. 

Кроме проволоки в наличие был кусок платиновой сетки - решил попробовать его: он имел, и бОльшую поверхность, и бОльшую массу. Эксперименты с платиновой сеткой будут описаны во второй и третьей частях статьи. 

Пока что должен предупредить об одной неприятной особенности платиновых и палладиевых катализаторов: он боятся каталитических ядов. Каталитические яды - вещества, которые снижают активность катализаторов - вплоть до нуля. Для соединений платины и палладия роль каталитических ядов играют соединения серы, например, меркаптаны, которые добавляют в бытовой газ и сжиженный газ для горелок. Равно, как и соединения серы, которые содержатся в жидких нефтепродуктах (бензин, керосин и т.д.). Они "гробят" платиновый катализатор, причем необратимо. Имейте это в виду, и не говорите, что вас не предупреждали. Сжиженный газ "для зажигалок" и бензин "для зажигалок", а также авиационный керосин свободны от соединений серы, во всяком случае, от их высокого количества (разумеется, в наше время ручаться ни за что нельзя). 

Поскольку наша жизнедеятельность основана на процессах, которые ускоряются (регулируются) биологическими катализаторами - ферментами, - часто каталитические яды являются и ядами в классическом понимании этого слова (т.е., они опасны для человека). Например, сероводород и меркаптаны не только деактивируют платиновый катализатор, но и ядовиты для человека, а также для многих других организмов. Но это правило не абсолютно: некоторые каталитические яды для нас безопасны. Например, роль сильного каталитического яда для некоторых катализаторов играет обыкновенная вода, причем в мизерных количествах.