Механизм катализа
В настоящее время механизм катализа неизвестен. Действие катализатора традиционно объясняют образованием в его присутствии цепной реакции и соответствующим понижением энергии активации на первом звене цепи, определяющем начало реакции. Как это происходит? Почему, как бы участвуя в реакции, катализатор остается целым, не расходуется? Какие вещества могут быть катализаторами, а какие нет, и – почему? Эти и другие вопросы пока остаются без ответа.
Как теперь известно /3/, молекулы вещества взаимодействуют друг с другом организованно электродинамически, перемещаясь каждая внутри своей глобулы, размер которой примерно на три порядка больше размера самой молекулы. Молекула совершает колебательные и вращательные движения, взаимодействуя поочередно с каждым из 12-ти окружающих ее соседей. При этом одновременно молекула взаимодействует только с одним соседом. Для газообразного вещества – это ближний, первый, ряд соседей; в жидком и твердом веществе имеет место дальнодействие, которое удерживает молекулу в пределах глобулы, а глобулу в пределах кристаллической решетки. Это электродинамическое взаимодействие, которое подробно расписано в /3/, обеспечивает взаимное притяжение молекул за счет их разноименных электрических полей. Обмен импульсами двух одинаковых молекул газа в одном акте взаимодействия приводит к их разлету с некоторой скоростью для совершения ими таких же актов взаимодействия с другими своими соседями.
То же самое происходит при встрече молекулы газообразного или жидкого рабочего вещества с твердым веществом катализатора. А именно, в акте взаимодействия молекулы рабочего вещества с молекулой катализатора на первую действуют силы притяжения между ними, а также, вследствие дальнодействия, еще и силы от других молекул катализатора, что существенно увеличивает динамический разгон рабочей молекулы по направлению к катализатору. Более того, в отличие от молекулы газа, молекула твердого вещества не вращается, а только колеблется. Поэтому летящая (в пределах своей глобулы) к катализатору молекула газа не встречает отталкивания противоположно заряженных полей. Электрическое поле стабилизирует полет молекулы газа по направлению к мишени-катализатору: молекула газа, как и в любом акте электродинамического взаимодействия, прекращает свое вращение и, в данном случае, летит по наикратчайшему пути. Все это способствует ее ускоренному полету к мишени, усилению ударных нагрузок при встрече с ней и – разрушению самой молекулы. При этом, как было сказано выше, остальные соседи-молекулы рабочего вещества не мешают, не препятствуют разгону молекулы, так как заняты своими личными делами – актами взаимодействия с другими своими соседями. Сила притяжения увеличивается обратно пропорционально квадрату расстояния и пропорционально произведению разноименных зарядов, взаимодействующих тел /3/. Если учесть, что нормальная скорость движения молекул, например, воздуха, при их взаимодействии имеет порядок 104 м/с, то при сближении с катализатором она многократно и резко увеличивается, что приводит к удару и мгновенному гашению скорости. Это в высшей степени ярко выраженная нелинейность очень похожа на график изменения энергии, например, кавитационного пузырька в жидкости. В обоих случаях энергия, пропорциональная квадрату скорости, как бы накачивается постепенно, а затем внезапно разом высвобождается, что, в соответствии с третьим законом Исаака Ньютона (Действие равно противодействию – третий закон Ньютона. При этом Ньютон поясняет, что действие – это произведение силы действия на скорость действия, а противодействие – это произведение силы реакции на скорость реакции. Поэтому третий закон имеет вид 
. Очевидно, что малая скорость реакции (скорость звука) вызывает большую силу реакции за счет большой скорости действия, способную разрушить молекулу вещества. (Русский перевод труда И. Ньютона "Математические начала натуральной философии", 1915 г., с.52; выполнен А. Н.Крыловым) приводит к возникновению больших сил, разрушающих молекулу рабочего вещества не только на атомы, но даже, возможно, на нуклоны, из которых атомы состоят, так как энергия связи нуклонов в атоме примерно на 14 порядков меньше энергии связи элементарных частиц в нуклоне /3/.
Естественно, что рекомбинация атомов, и тем более нуклонов, в продукты реакции в присутствии катализатора имеет меньший активационный барьер, чем рекомбинация молекул, что не только обеспечивает реакцию, которая без катализатора вообще не идет, и ускоряет ее, но и исключает повышенную энергетическую напряженность в зоне реакции. Так, известно, что соединение водорода с кислородом на платине происходит при обычной комнатной температуре, без пламени свечения.
Как видно, механизм катализа, в конечном счете, заключается в разрушении молекул рабочего вещества и взаимодействии их более мелких частей: атомов, осколков и даже нуклонов для образования продуктов реакции. Никакой цепной реакции здесь не просматривается.
Также видно, что катализатор при этом не расходуется, так как не разрушается (если бы разрушался и расходовался, то это уже был бы не катализатор).
Теперь, разобравшись с механизмом катализа, можем предъявить требования к катализатору и четко определить химические элементы, которые им могут быть. Итак, молекулы катализатора должны быть более прочными, чем молекулы всех остальных веществ. Поскольку избыточный заряд молекул газов и некоторых других рабочих веществ, как правило, положительный, то избыточный заряд катализатора должен быть противоположным – отрицательным для усиления притяжения. Молекулы катализатора должны быть соединены (электрическими силами) в единую массивную систему (кристаллическую решетку) для уменьшения отдачи при ударе и увеличения силы, разгоняющей и разрушающей молекулу рабочего вещества. Не так уж и много требований к катализатору: прочность, заряд, массивность.
Легкие и структурно непрочные молекулы не могут служить катализатором, так как не обеспечат разрушения молекул рабочего вещества и сами могут разрушиться, демпфировать удар, вступить в реакцию и выбыть из игры. Наиболее прочной геометрической формой тел является сфера (шар). Она также соответствует природному принципу минимума поверхностной энергии, как в каплях воды – наименьшей энергии поверхностного натяжения.
Этот принцип характерен также – для атомов вещества. Зная площадь сферы 
и расчетный диаметр нуклонов 
, из которых она образована, можем найти их количество и, соответственно, атомную массу и само вещество катализатора. Известно, что самая малая сфера (
) содержит 12 шаров (нуклонов):
.
Вторая сфера, охватывающая первую, состоит из 
нуклонов.
Третья сфера, охватывающая вторую, состоит из 
нуклонов. И четвертая сфера – из 
нуклонов. Согласно периодической системе элементов и полученному результату катализаторами могут быть следующие вещества:
1) сфере из 12-ти нуклонов и атомной массе 12 а. е.м. соответствует углерод 
;
2) сфере из 
соответствует титан 
;
3) двум первым вложенным одна в другую сферам 
соответствует кобальт 
, а также, в меньшей мере, железо 
и медь 
;
4) трем вложенным одна в другую сферам соответствует больше гафний 
;
5) отдельно третьей сфере 
соответствует палладий 
;
6) поскольку масса вложенных четырех сфер из нуклонов выходит за рамки периодической системы, то остается сама четвертая сфера с 
нуклонами. Ей соответствуют осмий 
, а также – иридий 
и платина 
.
Итак, из довольно простой по разрешению, но сложной для понимания в рамках традиционной физико-химии, посылки мы получили сразу перечень катализаторов и теперь знаем, как они действуют.
Большинство катализаторов являются металлами. Это соответствует требованию избыточности отрицательного заряда в них. Углерод, хотя и не является металлом, но совокупность его положительно заряженных атомов образует систему, скрепленную отрицательно заряженными электронами и имеющую в целом избыточный отрицательный заряд. Эта массивная система также соответствует всем требованиям, предъявляемым к катализаторам. То есть углерод также может быть катализатором при соответствующих условиях, например: осаждение на металлических поверхностях в силу противоположного заряда и образование массивной цепной системы совокупности атомов углерода.
С пониманием механизма катализа также становится понятным принцип упрочения поверхности нанесением, например, углерода, платины…, имеющих прочные сферические, соединенные электрическими силами молекулы.
Сферическую структуру могут иметь молекулы инертных газов, так как в них нет свободных электронов (связи), а структурные электроны в нуклонах атома связаны, заняты конструкцией; их заряды компенсированы противоположными, поэтому избыточный заряд мал и близок к нулю – именно отсюда их инертность. В отличие от металлов молекулы газов бешено вращаются, поэтому они не могут иметь точно сферическую форму, а имеют – сфероидную, поверхность которой меньше сферической и, соответственно, меньше нуклонов в атоме по сравнению со сферическими. Интересно, что величина уменьшения числа нуклонов как отношение их в ближайшей по размеру сфере к их числу в сфероиде для большинства инертных газов примерно одинакова:
– для аргона 
;
– для криптона 
;
– для ксенона 
;
– для радона 
(360 нуклонов – в 4-х сферах);
– и только для неона 
– эта величина больше остальных.
Выпадение неона из общего порядка показывает, что наряду с VIII группой есть еще IV-я группа периодической системы элементов, куда уже попали углерод и гафний как возможные катализаторы. Для других элементов IV группы: 
, 
, 
– количество нуклонов в их сферическом атоме определяется аналогично описанному выше при 
.
Итак, новые представления о строении вещества позволяют впервые понять механизм катализа и связанные с этим различные аспекты науки и техники, в том числе, условия подбора и работы катализаторов, физический смысл упрочнения материалов углеродом и другими веществами, структуру и характеристики инертных газов и т. д.
В состав возможных катализаторов, как видно, входят металлы VIII группы и (некоторые) элементы IV группы периодической системы, имеющие сферическую форму атомов. То есть разбивка веществ по группам и периодам отражает не только нарастание массы атомов и изменение известных свойств, но и – регулярность изменения и периодичность повторения структуры (формы) атомов, в том числе, сферической, существенно влияющей и во многом определяющей свойства элементов.