Іскра-хімік
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Глибокий і потужний бас, баритон, тенор, контральто і сопрано – невичерпна палітра звуків використовує всі ті ж звукові коливання, що відрізняються один від одного лише довжиною хвилі. Точно так само спопеляючу стрімку блискавку з її жахливими струмами в сотні тисяч ампер і ніжні полярні сяйва фізик віднесе до явищ одного класу, тільки різної тривалості, потужності і інтенсивності. І те й інше – електричні розряди в газі. Блискавка і полярне сяйво – це, так би мовити, крайні випадки електричних розрядів в газі.
Як створюють електричний розряд в техніці? До двох електродів, розділених невеликим газовим або повітряним проміжком, підводять напругу. В міру його зростання струм в ланцюзі зростає – спочатку повільно, а потім наче валиться невидима гребля, і повітряний проміжок штурмують вже тисячі ампер.
Електроди розжарюються, газ яскраво спалахує, його молекули розсипаються на атоми, іони, вільні радикали – безліч активних баских частинок, що володіють великими запасами енергії, жадібно з’єднуються один з одним в самих різних поєднаннях. Власне кажучи, в цьому-то й полягає хімічна роль електричних розрядів: служити потужним каталізатором, стимулюючим і прискорюючим реакції взаємодіючих речовин.
Вперше думка про використання електричних розрядів для прискорення хімічних реакцій зародилася майже 300 років тому. Систематично вивчати вплив іскри на взаємодію речовин почав знаменитий французький хімік П’єр Ежен Марселен Вертіло, який відкрив безліч електрогазових реакцій. Подальший шлях газової електрохімії дивно нерівний. Окремі спалахи інтересу перемежовуються з довгими роками байдужості до неї. І це не випадково, а пов’язано з двома практичними обставинами: з можливістю отримання основних продуктів газової електрохімії звичайним хімічним шляхом і з цінами на електрику. Зараз нові технологічні процеси недавно розроблені вченими, і дешева електроенергія енергетичних гігантів знову зробили електрохімію перспективним науковим напрямком.
ДОБРИВА З ПОВІТРЯ
Ніякий інший каталізатор по своїй універсальності не в силах зрівнятися з електричним розрядом. Іскра-хімік змушує вступати в реакції всі органічні та неорганічні сполуки і, за малим винятком, майже всі елементи.
В електричних розрядах однаково легко можна окисляти і відновлювати, розкладати речовини на складові частини і отримувати з них складні полімери. Нарешті, трохи міняючи електричний режим розряду, буквально помахом ручки реостата можна направляти перебіг реакцій в ту чи іншу сторону, отримувати з одної і тої ж речовини або суміші двох-трьох простих речовин десятки, а то й сотні найцінніших продуктів. У кожній штучній мікроблискавці як би закладені властивості найрізноманітніших каталізаторів.
Особливо великі вигоди електрична іскра обіцяє промисловості азотних і фосфорних добрив. Вперше з її допомогою вдалося окислити азот киснем повітря вже більше 100 років тому. Ще в 1903 році електричний спосіб зв’язування азоту став промисловим. А в 20-х роках минулого століття цим способом вже отримували десятки тисяч тонн азотних добрив. Однак минуло всього лиш кілька років, і електрична блискавка знову опинилася безробітною. Хіміки знайшли інший, більш економічний спосіб позбавити людство від азотного недоїдання.
Але остаточних перемог в науці не буває. У хімічних лабораторіях знову, як колись, зріють зерна нових промислових переворотів. Невгамовна іскра, як джин в пляшці, замкнена в тісних пробірках експериментаторів, жадає реваншу. І годину її близька.
…У прозорій скляній колбі палахкотять блакитні блискавки. З кисню тут синтезують озон. У іншій посудині електрику «зшивають» атоми азоту і кисню. Отримавши з азотно-кисневої суміші нитрозний газ, його змішують з озоном і конденсують. У результаті утворюється стовідсоткова азотна кислота. Цей спосіб її отримання винайдений вченими Н. І. Кобозевим, А. Л. Шнеєрсоном, Е. Н. Піцхелаурі. І вигоди його величезні. Адже концентровану азотну кислоту перевозити набагато дешевше, ніж слабку. Крім того, на відміну від сьогоднішніх заводів азотної кислоти, вічно оповитих клубами рудого диму – не поглинені окиси азоту, цехи електросинтезу не стануть забруднювати повітря.
Що стосується сировини, то вона наддоступна: адже це вода і атмосферний азот. Навіть електрика майже дармова: подібно електронній лампі, електросинтезуючий реактор практично позбавлений інерції. Включив – і застрибали в ньому роботяги-блискавки, вимкнув – хімічний конвеєр негайно припинив роботу. Ну, а в такому разі його можна включати лише на ніч, коли потреба в електроенергії сильно зменшується і багатометрові лопаті водяних турбін ліниво повертаються майже що вхолосту.
ГРОЗА В ЛАБОРАТОРІЇ
Вражаюча свіжість повітря після грози, як ми знаємо, пояснюється присутністю в ньому озону, трьохатомного кисню, утвореного під дією тихих електричних розрядів. На такому ж принципі працюють і озонатори, мініатюрні прилади, освіжаючі повітря в кіно, театрах, робочих приміщеннях. Продуктивність озонаторів незначна, але це не так вже й важливо, адже все одно вміст озону в повітрі ні в якому разі не повинен бути більше однієї десятитисячної частки грама на кубометр.
Володіючи чудовими хімічними властивостями (своєю окисною здатністю він поступається лише несамовитому фтору), озон хімічної промисловості недоступний: він дуже дорогий. От якби ми вміли виробляти його тоннами…
Сірчисті нафти дуже неприємні для енергетиків. Сприяючи корозії, вони передчасно виводять з ладу ажурну «начинку» котелень топок, а отруйний сірчистий газ знищує рослинність на багато кілометрів навколо електростанцій. Так ось, озоном можна обезсірковувати сірчисту нафти, притому за рахунок окислення шкідливих відходів електростанцій виробництво сірчаної кислоти можна подвоїти і навіть потроїти. Але для цього потрібні тисячі тонн озону.
При видобутку золота з його руд їх обробляють отрутою – ціаністим калієм. Нещодавно було виявлено, що в присутності озону золото прекрасно розчиняється простою соляною кислотою. Слабкі її розчини нешкідливі для людини. Впровадження озону в золотовидобування різко оздоровлює умови праці.
Хлорована вода не дуже-то приємна на смак. Зате в ній вбиті хвороботворні мікроби. Озон не гірше хлору вбиває збудників хвороб, але абсолютно не змінює смак води. Озон чудово знешкоджує самі отруйні відходи коксохімічних і нафтопереробних заводів. Інші способи дорогі і завжди неефективні.
Обробляючи озоном бавовняне волокно, ми видаляємо з нього жиро-воскові речовини. Міцність волокна при цьому різко збільшується. За допомогою озону можна витягати кобальт з нікелевих руд, переробляти старі автомобільні покришки, модифікувати полімери, вибілювати целюлозу, пряжу і тканини. Озон прискорює виробництво штучних волокон і лінолеуму, прискорює старіння вина. Озоноване повітря допомагає зберегти свіжими овочі та фрукти, в озонованій воді не псується риба.
Озон – ключ до розвитку поширеної і абсолютно нової галузі хімічної промисловості. Потрібні, необхідні потужні озонатори, здатні виробляти озон сотнями і тисячами тонн …
ЛІД І ПОЛУМ’Я
Отже, завдання електричного розряду – розколоти інертні, неповороткі молекули газу на енергійні атоми і осколки молекул – радикали, а потім вже використовувати цю сировину в горнилі для хімічних перетворень. А що якщо вчинити так, як у старому анекдоті про простодушного пасажира, який вирішив обдурити кондуктора: взяти квиток, але не поїхати. Іншими словами, що якщо електричною іскрою молекули розколоти, але ніяких хімічних реакцій не виробляти? На перший погляд це безглуздо, адже для руйнування молекул доведеться витратити силу-силенну енергії. Але в тому-то й річ, що завдяки закону збереження енергії пропасти вона нікуди не може. А ось якщо дати вільним радикалам, які знаходяться в такому «напруженому», збудженому стані рекомбінуватися, з’єднатися знову, то вони знову утворюють стійкі молекули, виділивши при цьому витрачену на збудження енергію.
Коротше кажучи, таким способом ми отримаємо нові палива, набагато ефективніші, ніж звичайні. При згорянні кілограма найкалорійніших із сучасних звичайних палив, наприклад, суміші кисню з гасом, виділяється максимум 2000 кілокалорій, тоді як при з’єднанні радикалів може виділитися більше 55000 кілокалорій на кілограм. Таким чином, по калорійності вільні радикали займають проміжне місце між хімічним паливом і атомним пальним. До речі, вільні радикали маються на верхніх виряджених шарах атмосфери, де молекули повітря розпадаються під ударами яскравих сонячних променів.
Проте в наших земних умовах зберігати вільні радикали майже так само важко, як і антиречовину. Єдиний наявний зараз спосіб – це наднизькі температури. Зазвичай робочий газ, наприклад, водень, пропускають через електричний розряд, підтримуваний в спеціальному розряднику, а утворені радикали захоплюються пасткою – гладкою поверхнею, зануреною в рідкий гелій, – і тут же замерзають. Затверділі радикали поводяться дуже незвично, вони яскраво світяться, спалахують голубуватим полум’ям, сяють різнокольоровими райдужними плямами. Варто нагріти їх до 20-30 ° вище абсолютного нуля, як вони стрімко з’єднуються в молекули, виділяючи всю витрачену на їхнє утворення енергію.
Звичайно, зберігати паливо при температурі рідкого гелію не дуже-то зручно. Тому вчені намагаються створити особливі каталізатори, які б сповільнили возз’єднання радикалів і при звичайних температурах. Завдання надзвичайно важке, але адже вивчення проблеми тільки почалося.
За словами одного відомого вченого, наші знання про вільні радикали перебувають зараз на тому ж рівні, що і знання про атомну енергію 15 років тому. Зате рішення проблеми матиме величезні наслідки і в першу чергу для космонавтики. Навіть теоретично краще хімічне паливо може дати швидкість витікання газів 4 кілометри в секунду, практично вони дають поки менше ніж 3 кілометри в секунду. А атомарний водень, за розрахунками англійського вченого Уорта, здатний вириватися з сопла ракети зі швидкістю 18 кілометрів на секунду – швидкість в шість з гаком разів більша, ніж поки вдалося досягти. Досить поглянути на знамениту формулу Ціолковського, щоб побачити, що максимальна швидкість самої ракети також збільшиться в шість разів.
Сучасна ракета, призначена для запуску штучних супутників Землі, будь вона заправлена атомарним воднем, долетіла б до Місяця швидше, ніж за 3 години. Хімічні застосування електричних розрядів майже що безмежні. Від добрив і пластмас до ракет і надкалорійних палив – такі неосяжні можливості іскри-хіміка і перспективи знову помолоділої газової електрохімії.
Автор: Є. Муслін.