Химия завтра
Шрифт:
Фантастическая картина, но нарисована она опять-таки не фантастом. Так говорил о городе будущего профессор И. И. Китайгородский.
«НОВЫЕ ХИМИИ»
ХИМИЯ «ГОРЯЧАЯ» И ХИМИЯ «ХОЛОДНАЯ»
При высокой температуре все в мире молекул становится иным — другие действуют законы, другие правила и исключения. И, конечно, все это связано с большими скоростями частиц.
Их найдем мы в пламени. Красивый сине-зеленый центр огненного язычка, синий ореол вокруг него — все это видимое проявление скрытого механизма горения.
С точки зрения химика, горение —
Не одна, а множество реакций следуют друг за другом; не один, а множество продуктов образуется в огне. Одни разрушаются, другие возникают, И мы даже можем описать, как и в каком порядке идут превращения. В пламени возникает плазма, в которой перемешаны осколки молекул — ионы, электроны и еще не успевшие ионизироваться атомы.
Огромная скорость химических реакций в плазме еще непривычна химикам, хотя огонь людям известен с незапамятных времен. Вот, кстати, характерный пример того, как простое, всем известное на самом деле оказывается сложным и долгое время остается неразгаданной тайной.
Горение для нас во многом уже не загадка. Приборы дали возможность наблюдать происходящее в пламени, а теория помогла набросать, хотя и в общих чертах, его картину.
Оказывается, все химические превращения в горящем газе успевают происходить всего за стотысячную долю секунды. Все частички разгоняются почти до тысячи метров в секунду!
Когда горение происходит в чистом кислороде, то времени требуется и того меньше. Не проходит и одной миллионной доли секунды, как совершается весь вихрь сменяющих друг друга реакций. Фактически тогда происходит взрыв.
Потому так трудно разобраться во всех тонкостях процесса горения, а разобраться крайне необходимо. Горение — цепь химических реакций, сопровождаемых выделением энергии. Им пользуется вся армия тепловых двигателей. О реакциях в пламени особенно важно, как можно больше знать инженерам, строящим самолеты и ракеты — самые скоростные машины нашего века. Тогда они смогут подчинить себе бушующее пламя, сделать так, чтобы использовать топливо возможно лучше.
Надо добиться возможности регулировать по нашему желанию скорость сгорания топлива, вмешиваться в ход реакции, улавливать, если нужно, таинственные промежуточные продукты, которые остаются невидимками, возникая и тотчас исчезая. Надо избежать и появления вредных соединений, разъедающих, например, металл.
Так проблема пламени оказывается связанной с долговечностью двигателей. Связана она и с химией.
Химические превращения, идущие обычно медленно, в плазме совершаются мгновенно. Побочные реакции обычно не принимают в расчет. Однако здесь они начинают играть решающую роль. Удается получить такие соединения, которые иначе трудно либо вовсе невозможно получить. Удается вовлечь в химический кругооборот такие элементы, которые при обычных температурах использовать можно лишь с большим трудом.
Нагретые газы могут реагировать не только между собой — они взаимодействуют и с твердыми веществами. Это происходит в двигателях — поршневых и турбинных, воздушно-реактивных и ракетных. В них сгорает топливо и образуются потоки сильно нагретых и быстротекущих газов, идет каскад сложнейших реакций с участием газообразных и твердых веществ. Это и химическая лаборатория, и, пожалуй, даже химический завод в миниатюре.
«Энтузиасты
Правда, в двигателях вся «продукция» выбрасывается на ветер, хотя и не без пользы, конечно. Энергия, освобожденная при сгорании, движет самолеты и ракеты, и самолет летит намного быстрее звука, а ракета преодолевает притяжение Земли.
Но уже научились извлекать пользу из струй горящего газа для нужд земных. Можно, оказывается, прямо из пламени вылавливать ценные вещества — промежуточные продукты горения.
Нельзя ли их заставить работать еще эффективнее? Раз они особенно активны, то, быть может, имеет смысл извлечь их из одной реакции и подключить в другую. Тогда пойдут такие превращения, которые обычно не происходят. Мы сумеем получить вещества, какие до сих пор получить не удавалось.
Молекулы в пламени дробятся на осколки, группы атомов. На ничтожную долю секунды они освобождаются от своих связей внутри молекулы, становятся свободными радикалами. Одни из них появляются и тотчас исчезают, на смену им возникают другие. Реакция не затухает, она разрастается, захватывая все новые и новые молекулы.
Неустойчивые, исчезающие, как только они сделают свое дело, свободные радикалы послужат в руках химиков еще одним орудием для управления ходом реакций.
Свободные радикалы оказались той отмычкой, которая открывает многие двери. Они способны заставить вступить в цепную реакцию обычно устойчивые молекулы. С их помощью можно регулировать величину молекулярных построек, когда создаются полимеры.
Уже рождается еще один виц химического реактора — плазмотрон. В нем работает разреженный газ, нагретый до температуры в тысячи и десятки тысяч градусов. Недаром химию плазмы называют «звездной».
Высочайший нагрев позволяет проводить реакции без катализаторов и давлений и вдобавок быстро, минуя многие промежуточные этапы, Можно получать окислы азота из воздуха. Можно получать и полимерные материалы, и металлоорганические соединения.
Плазмохимик является одновременно и плазмо-металлургом. Плазменной струей можно резать, сваривать, распылять и наплавлять металл, наносить на него всевозможные защитные покрытия. Металлурги мечтают о том, как плазма сделает ненужными гигантские металлургические агрегаты, а металлургию позволит полностью автоматизировать, включая плавку.
Плазмотрон — это еще и бурильщик, прокладывающий скважины и даже большие туннели в горных породах.
Газовый разряд, при котором образуется плазменная газовая струя и при высоких температурах идут сложные процессы — молекулы распадаются на осколки, — вот что происходит в плазмотроне. Вместо нейтральных молекул получается смесь ионов, свободных радикалов и других частиц с высокой энергией. В струе плазмотрона могут происходить реакции, невозможные при обычных для химии температурах.
Когда в плазменную струю попадает другой газ, менее нагретый, он перемешивается и тоже становится участником превращений. Эти превращения протекают в тысячные, десятитысячные и даже еще меньшие доли секунды. За такие ничтожные промежутки времени успевает совершиться распад одних, перестройка и создание других соединений. Поэтому плазмохимия есть одновременно и химия высоких скоростей.