Искра-химик

Глубокий и мощный бас, баритон, тенор, контральто и сопрано — неисчерпаемая палитра звуков использует все те же звуковые колебания, отличающиеся друг от друга лишь длиною волны. Точно так же испепеляющую стремительную молнию с ее чудовищными токами в сотни тысяч ампер и нежные полярные сияния физик отнесет к явлениям одного класса, только разной длительности, мощности и интенсивности. И то и другое — электрические разряды в газе. Молния и полярное сияние — это, так сказать, крайние случаи электрических разрядов в газе.

Как создают электрический разряд в технике? К двум электродам, разделенным небольшим газовым или воздушным промежутком, подводят напряжение. По мере его роста ток в цепи растет — сначала медленно, а потом словно рушится невидимая плотина, и воздушный промежуток штурмуют уже тысячи ампер.

Электроды раскаляются, газ ярко вспыхивает, его молекулы рассыпаются на атомы, ионы, свободные радикалы — великое множество активных резвых частичек, обладающих большими запасами энергии, жадно соединяющихся друг с другом в самых различных сочетаниях. Собственно говоря, в этом-то и состоит химическая роль электрических разрядов: служить мощным катализатором, стимулирующим и ускоряющим реакции взаимодействующих веществ.

Впервые мысль об использовании электрических разрядов для ускорения химических реакций зародилась почти 300 лет назад. Систематически изучать влияние искры на взаимодействие веществ начал знаменитый французский химик Пьер Эжен Марселен Вертело, открывший множество электрогазовых реакций. Дальнейший путь газовой электрохимии удивительно неровен. Отдельные вспышки интереса перемежаются с долгими годами безразличия к ней. И это не случайно, а связано с двумя практическими обстоятельствами: с возможностью получения основных продуктов газовой электрохимии обычным химическим путем и с ценами на электричество. Сейчас новые технологические процессы недавно разработанные учеными, и дешевая электроэнергия энергетических гигантов опять сделали электрохимию перспективнейшим научным направлением.

УДОБРЕНИЯ ИЗ ВОЗДУХА

Никакой другой катализатор по своей универсальности не в силах сравниться с электрическим разрядом. Искра-химик заставляет вступать в реакции все органические и неорганические соединения и, за малым исключением, почти все элементы.

В электрических разрядах одинаково легко можно окислять и восстанавливать, разлагать вещества на составные части и получать из них сложные полимеры. Наконец, чуть-чуть меняя электрический режим разряда, буквально мановением ручки реостата можно направлять течение реакций в ту или иную сторону, получать из одного и того же вещества или смеси двух-трех простых веществ десятки, а то и сотни ценнейших продуктов. В каждой искусственной микромолнии как бы заложены свойства самых разнообразных катализаторов.

Особенно большие выгоды электрическая искра сулит промышленности азотных и фосфорных удобрений. Впервые с ее помощью удалось окислить азот кислородом воздуха уже более 100 лет назад. Еще в 1903 году электрический способ связывания азота стал промышленным. А в 20-х годах прошлого века этим способом уже получали десятки тысяч тонн азотных удобрений. Однако прошло всего лишь несколько лет, и электрическая молния вновь оказалась безработной. Химики нашли другой, более экономичный способ избавить человечество от азотного недоедания.

Но окончательных побед в науке не бывает. В химических лабораториях опять, как прежде, зреют зерна новых промышленных переворотов. Неугомонная искра, как джин в бутылке, запертая в тесных пробирках экспериментаторов, жаждет реванша. И час его близок.

…В прозрачной стеклянной колбе полыхают голубые молнии. Из кислорода здесь синтезируют озон. В другом сосуде электричество «сшивает» атомы азота и кислорода. Получив из азотно-кислородной смеси нитрозный газ, его смешивают с озоном и конденсируют. В результате образуется стопроцентная азотная кислота. Этот способ ее получения изобретен учеными Н. И. Кобозевым, А. Л. Шнеерсоном, Е. Н. Пицхелаури. И выгоды его огромны. Ведь концентрированную азотную кислоту перевозить гораздо дешевле, чем слабую. Кроме того, в отличие от сегодняшних заводов азотной кислоты, вечно окутанных клубами рыжего дыма — непоглощенных окислов азота, цехи электросинтеза не станут загрязнять воздух.

Что касается сырья, то оно сверхдоступно: ведь это вода и атмосферный азот. Даже электричество почти даровое: подобно электронной лампе, электросинтезирующий реактор практически лишен инерции. Включил — и запрыгали в нем работяги-молнии, выключил — химический конвейер тотчас прекратил работу. Ну, а в таком случае его можно включать лишь на ночь, когда потребность в электроэнергии сильно уменьшается и многометровые лопасти водяных турбин лениво поворачиваются почти что вхолостую.

ГРОЗА В ЛАБОРАТОРИИ

Поразительная свежесть воздуха после грозы, как мы знаем, объясняется присутствием в нем озона, трехатомного кислорода, образующегося под действием тихих электрических разрядов. На таком же принципе работают и озонаторы, миниатюрные приборы, освежающие воздух в кино, театрах, рабочих помещениях. Производительность озонаторов ничтожна, но это не так уж важно, ведь все равно содержание озона в воздухе ни в коем случае не должно быть больше одной десятитысячной доли грамма на кубометр.

Обладая замечательными химическими свойствами (своей окислительной способностью он уступает лишь неистовому фтору), озон химической промышленности недоступен: он слишком дорог. Вот если бы мы умели производить его тоннами…

Сернистые нефти очень неприятны для энергетиков. Способствуя коррозии, они преждевременно выводят из строя ажурную «начинку» котельных топок, а ядовитый сернистой газ уничтожает растительность на много километров вокруг электростанций. Так вот, озоном можно обессеривать сернистые нефти, притом за счет окисления вредных отходов электростанций производство серной кислоты можно удвоить и даже утроить. Но для этого нужны тысячи тонн озона.

При добыче золота из его руд их обрабатывают ядом — цианистым калием. Недавно было обнаружено, что в присутствии озона золото прекрасно растворяется простой соляной кислотой. Слабые ее растворы безвредны для человека. Внедрение озона в золотодобычу резко оздоровляет условия труда.

Хлорированная вода не очень-то приятна на вкус. Зато в ней убиты болезнетворные микробы. Озон не хуже хлора убивает возбудителей болезней, но абсолютно не меняет вкус воды. Озон прекрасно обезвреживает самые ядовитые отходы коксохимических и нефтеперерабатывающих заводов. Другие способы дорогостоящи и всегда неэффективны.

Обрабатывая озоном хлопковое волокно, мы удаляем из него жиро-восковые вещества. Прочность волокна при этом резко увеличивается. С помощью озона можно извлекать кобальт из никелевых руд, перерабатывать старые автомобильные покрышки, модифицировать полимеры, отбеливать целлюлозу, пряжу и ткани. Озон ускоряет производство искусственных волокон и линолеума, убыстряет старение вина. Озонированный воздух помогает сохранить свежими овощи и фрукты, в озонированной воде не портится рыба.

Озон — ключ к развитию обширной и совершенно новой отрасли химической промышленности. Нужны, необходимы мощные озонаторы, способные вырабатывать озон сотнями и тысячами тонн…

ЛЕД И ПЛАМЕНЬ

Итак, задача электрического разряда — расколоть инертные, неповоротливые молекулы газа на энергичные атомы и осколки молекул — радикалы, а затем уже использовать это сырье в горниле для химических превращений. А что если поступить так, как в старом анекдоте о простодушном пассажире, решившем обмануть кондуктора: взять билет, но не поехать. Иными словами, что если электрической искрой молекулы расколоть, но никаких химических реакций не производить? На первый взгляд это бессмысленно, ведь для разрушения молекул придется израсходовать уйму энергии. Но в том-то и дело, что благодаря закону сохранения энергии пропасть она никуда не может. А вот если дать свободным радикалам, находящимся в таком «взвинченном», возбужденном состоянии рекомбинировать, соединиться вновь, то они опять образуют устойчивые молекулы, выделив при этом затраченную на возбуждение энергию.

Короче говоря, таким способом мы получим новые топлива, гораздо более эффективные, чем обычные. При сгорании килограмма самых калорийных из современных обычных топлив, например, смеси кислорода с керосином, выделяется максимум 2000 килокалорий, тогда как при соединении радикалов может выделиться более 55 000 килокалорий на килограмм. Таким образом, по калорийности свободные радикалы занимают промежуточное место между химическим топливом и атомным горючим. Кстати, свободные радикалы имеются в верхних разряженных слоях атмосферы, где молекулы воздуха распадаются под ударами ярких солнечных лучей.

Однако в наших земных условиях хранить свободные радикалы почти так же трудно, как и антивещество. Единственный имеющийся сейчас способ — это сверхнизкие температуры. Обычно рабочий газ, например, водород, пропускают через электрический разряд, поддерживаемый в специальном разряднике, а образующиеся радикалы захватываются ловушкой — гладкой поверхностью, погруженной в жидкий гелий,— и тут же замерзают. Затвердевшие радикалы ведут себя очень необычно, они ярко светятся, вспыхивают голубоватым пламенем, сияют разноцветными радужными пятнами. Стоит нагреть их до 20—30° выше абсолютного нуля, как они стремительно соединяются в молекулы, выделяя всю затраченную на их образование энергию.

Конечно, хранить топливо при температуре жидкого гелия не очень-то удобно. Поэтому ученые пытаются создать особые катализаторы, которые бы замедлили воссоединение радикалов и при обычных температурах. Задача необычайно трудная, но ведь изучение проблемы только началось.

По словам одного известного ученого, наши знания о свободных радикалах находятся сейчас на том же уровне, что и знания об атомной энергии 15 лет назад. Зато решение проблемы будет иметь громадные последствия и в первую очередь для космонавтики. Даже теоретически лучшее химическое топливо может дать скорость истечения газов 4 километра в секунду, практически они дают пока меньше чем 3 километра в секунду. А атомарный водород, по расчетам английского ученого Уорта, способен вырываться из сопла ракеты со скоростью 18 километров в секунду — скорость в шесть с лишним раз большая, чем пока удалось достигнуть. Достаточно взглянуть на знаменитую формулу Циолковского, чтобы увидеть, что максимальная скорость самой ракеты также увеличится в шесть раз.

Современная ракета, предназначенная для запуска искусственных спутников Земли, будь она заправлена атомарным водородом, долетела бы до Луны быстрее, чем за три часа. Химические применения электрических разрядов почти что безграничны. От удобрений и пластмасс до ракет и сверхкалорийных топлив — таковы необъятные возможности искры-химика и перспективы вновь помолодевшей газовой электрохимии.

Автор: Е. Муслин.