Официальный фонд Г.С. Альтшуллера

English Deutsch Français Español
Главная страница
Карта сайта
Новости ТРИЗ
E-Книга
Термины
Работы
- ТРИЗ
- РТВ
- Регистр идей фантастики
- Школьникам, учителям, родителям
- ТРТЛ
- О качестве и технике работы
- Критика
Форум
Библиография
- Альтшуллер
- Журавлева
Биография
- Хронология событий
- Интервью
- Переписка
- А/б рассказы
- Аудио
- Видео
- Фото
Правообладатели
Опросы
Поставьте ссылку
World

распечатать







   

© Альтшуллер Г.С., Р. Б. Шапиро, Журнал "Техника - молодежи", № 10, 1958. - С. 25 - 27.
ОКИСЛЕННАЯ ВОДА

ОТКРЫТИЕ ПОФЕССОРА ТЕНАРА

В морозный декабрьский день 1818 года профессор Луи Жак Тенар вошел в аудиторию Парижского университета.

Рассеянно кивнув головой, он быстро подошел к длинному демонстрационному столу и сказал что-то препаратору старику Лешо. Затем, поднявшись на кафедру, обвел взглядом студентов и негромко начал:

- Когда с передней мачты фрегата матрос кричит: "Земля!" - и капитан впервые видит в подзорную трубу неизвестный берег, это великий момент в жизни мореплавателя. Но разве не столь же велик момент, когда химик впервые обнаруживает на дне колбы частицы нового, доселе никому не известного вещества?

Профессор сошел с кафедры и нетерпеливо окликнул Лешо. Шаркая истоптанными башмаками, препаратор внес несложный прибор.

- Химия любит простоту, - продолжал Тенар. - Запомните это, господа. Здесь только два стеклянных сосуда, внешний и внутренний. Между ними снег: новое вещество предпочитает появляться при низкой температуре. Во внутренний сосуд налита разбавленная шестипроцентная серная кислота. Сейчас она почти такая же холодная, как и снег. Что же произойдет, если я брошу в кислоту щепотку окиси бария? Серная кислота и окись бария дадут безобидную воду и белый осадок - сернокислый барий. Это всем известно. Но теперь попрошу внимания! Мы приближаемся к неизвестным берегам, и сейчас с передней мачты раздастся крик: "Земля!" Я бросаю в кислоту не окись, а перекись бария - вещество, которое получается при сжигании бария в избытке кислорода.

В аудитории было так тихо, что отчетливо слышалось тяжелое дыхание простуженного Лешо. Тенар, осторожно помешивая стеклянной палочкой кислоту, медленно, по крупинке, сыпал в сосуд перекись бария.

- Осадок, обычный сернокислый барий, мы отфильтруем, - сказал профессор, сливая воду из внутреннего сосуда в колбу.

Это вещество похоже на воду, не так ли? Но это странная вода! Я бросаю в нее кусочек обыкновенной ржавчины (Лешо, лучину!), и смотрите, как вспыхивает едва тлеющий огонек. Вода, которая поддерживает горение!

Это особенная вода. В ней вдвое больше кислорода, чем в обычной. Вода - окись водорода, а эта жидкость - перекись водорода. Но мне нравится другое название - "окисленная вода". И по праву первооткрывателя я предпочитаю это имя.

- Когда мореплаватель открывает неизвестную землю, он уже знает: когда-нибудь на ней вырастут города, будут проложены дороги. Мы, химики, никогда не можем быть уверены в судьбе своих открытий. Что ждет новое вещество через столетие? Быть может, такое же широкое применение, как у серной или соляной кислоты. А может быть, и полное забвение - за ненадобностью...

Аудитория зашумела.

Но Тенар продолжал:

- И все-таки я уверен в великом будущем "окисленной воды", ведь она содержит большое количество "животворного воздуха" - кислорода. И что самое главное, он очень легко выделяется из такой воды. Уже одно это вселяет уверенность в будущем "окисленной воды". Земледелие и ремесла, медицина и мануфактура, и я даже не знаю еще, где найдет применение "окисленная вода"! То, что сегодня еще умещается в колбе, завтра может властно ворваться в каждый дом.

Профессор Тенар медленно сошел с кафедры.

"ОНА ВСЮДУ И НИГДЕ"

Удивительно сложилась судьба "окисленной воды". Ее изучали, пожалуй, больше, чем любые другие вещества, а знали меньше о ней, чем о таких редчайших элементах, как ксенон или таллий.

Перекись водорода - богатое кислородом соединение. А кислород с каждым десятилетием находил все более широкое применение в промышленности. Ею занимались почти все выдающиеся химики во всех странах. В России исследование перекиси водорода вели Алексей Николаевич Бах и Дмитрий Иванович Менделеев, Дмитрий Петрович Павлов, Петр Григорьевич Меликов, Василий Максимович Семенов и другие. Особенно много сделал для изучения перекиси водорода Лев Владимирович Писаржевский. Со штудирования его трудов начинали знакомство с "окисленной водой" молодые ученые Петербурга, Парижа, Берлина и Мадрида.

Перекись водорода очень неохотно раскрывала свои секреты. Тогда химики умели получать только слабые и всегда загрязненные водные растворы. В 1860 году известный ученый Вельцин с горечью писал: "Кажется, что вообще после Тенара ни один химик не работал с чистым веществом..."

И это действительно было так. Перекись водорода, полученная при реакции между серной кислотой и перекисью бария, всегда имела очень низкую концентрацию (3 - 5%) и содержала большое количество примесей. Но даже эта, совсем малоконцентрированная перекись водорода быстро разлагалась.

Казалось, каждое внешнее воздействие способно было легко уничтожить перекись водорода. Если на склянку с нею падал солнечный луч или склянка нагревалась, перекись разлагалась. Но даже в темной склянке и прохладном месте перекись тоже разлагалась - на этот раз от действия стекла. А когда склянку изнутри покрывали парафином, то все равно "окисленная вода" разлагалась от случайно попавших в нее мельчайших пылинок, крупинок металла и других частиц.

Никому не удавалось заморозить перекись или получить ее в виде пара. Капризная вода профессора Тенара пряталась в растворе, и никакими силами ее нельзя было оттуда извлечь. Но химики - упорный народ. И они решили: если нельзя приготовить концентрированную перекись водорода, то, может быть, удастся найти ее в природе? Начались поиски.

Перекись водорода нашли. Ее обнаружили в соках многих растений, в листьях табака, в клене, во влажной человеческой коже, в слюне. А русский химик Бах нашел перекись в картофеле.

В 1874 году немецкий химик Шене провел специальные исследования снега под Москвой. Оказалось, что каждый литр воды грозового дождя или воды, полученной из снега, содержит 0,004 мг перекиси водорода. Мало? Сейчас Московская область занимает площадь 48 400 кв. км, а среднее количество годовых осадков составляет 566 мм. Это значит, что за год на территорию области выпадает 120 т перекиси водорода! Чтобы вывезти такое количество жидкости, потребовалось бы шесть железнодорожных цистерн. Но еще никто и никогда не получал перекись водорода из снега или морской воды: ее там слишком мало.

В старых учебниках химии писали: "Она всюду и нигде". Всюду - в тумане, в дождевой воде, в снеге, в растениях и животных. И нигде, так как ничтожные концентрации не позволяют выделить перекись в сколько-нибудь заметных количествах.

В течение столетия перекись водорода получали по способу Тенара - воздействием разбавленной серной кислоты на перекись бария. Потом появились видоизменения этого способа: вместо серной кислоты начали применять фосфорную или соляную кислоты, вместо перекиси бария - перекись натрия.

Но по-прежнему перекись водорода имела низкую концентрацию, была сильно загрязнена и стоила очень дорого.

Только в последние десятилетия химикам удалось создать промышленные способы получения концентрированной перекиси водорода. Сейчас ее почти всю добывают электрохимическим способом. Раствор бисульфата аммония подвергается электролизу. При этом получается персульфат аммония. Раствор персульфата засасывается в вертикальные трубки. Здесь под действием нагревания персульфат разлагается на бисульфат и перекись водорода. В специальном аппарате - сепараторе - перекись отгоняется от бисульфата, который снова идет на электролиз. Таким образом, расходуются только электрическая энергия и вода. Бисульфат совершает круговорот и не теряется, поэтому и весь процесс получения перекиси водорода называется круговым.

Перекись водорода - соединение двух элементов: водорода и кислорода. Может возникнуть вопрос: а нельзя ли синтезировать перекись непосредственно из этих элементов? Такой способ существует. Водород, кислород и водяной пар смешиваются при давлении, несколько превосходящем атмосферное, затем смесь прогоняют через теплообменник, и она поступает в ионизационную камеру. В этой камере находится несколько десятков пластинчатых электродов, на которые подается ток при напряжении в 12 тыс. в. Частота тока равна 9 500 периодам в секунду. Под действием электрического разряда молекулы водорода, состоящие из двух атомов, разбиваются, и атомарный водород вступает в реакцию с кислородом. Образовавшаяся перекись водорода проходит через теплообменник в колонку, охлаждаемую дистиллированной водой, где и конденсируется.

Этот способ не так экономичен, как электрохимический, но он дает очень чистую перекись водорода и позволяет автоматизировать  производство.

В новых учебниках химии уже не пишут о перекиси водорода: "Она всюду и нигде". Она по-прежнему всюду, но уже не нужно искать ее в снеге и листьях табака. Перекись водорода стала одним из основных продуктов химической промышленности.

ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО ИЛИ БЕЗОБИДНАЯ ЖИДКОСТЬ?

Путь к промышленному применению перекиси водорода долгое время преграждали две крайности: переоценка и недооценка ее взрывчатых свойств, ее устойчивости.

- Перекись водорода, - говорили одни химики, - сильное взрывчатое вещество. Килограмм перекиси, разлагаясь, выделяет семьсот калорий - столько же, сколько и дымный порох. При разложении одного литра перекиси образуется пять тысяч литров газообразного кислорода и водяных паров при температуре 750 Цельсия! Перекись может взорваться от ничтожных толчков, от мельчайших частиц пыли. Не применяйте перекись водорода!

  - Помилуйте, - возражали другие, - да ведь это же безобиднейшее вещество! Перекись не взрывается от детонаторов - ну, какая же это взрывчатка?! А если иногда и бывают некоторые неприятности, то, конечно же, это чистая случайность!

Кто же был прав? И те и другие. Или, если говорить строго, ни те, ни другие. В то время свойства перекиси были слишком мало изучены.

В лаборатории химика всегда идет война. Новое вещество обычно не сдается сразу. И химик, подобно полководцу, составляет план кампании, выискивает слабые места своего противника, бросает в бой все новые и новые отряды - кислоты и щелочи, высокие и низкие температуры. Где силой - давлением, где хитростью - реакцией замещения - химик теснит противника, заставляет его постепенно менять позиции-свойства. Разведка - спектроскопический анализ, рентгеноскопия, индикаторы - раскрывает тайны, и тогда в бой вступает тяжелая артиллерия химии: электролизные аппараты, центрифуги, фильтропрессы.

Перекись водорода держалась долго - до тех пор, пока арсенал химика был слаб. Но генерального наступления, поддержанного мощной химической техникой, она не выдержала и выдала свои тайны.

Что же мы знаем сейчас о свойствах перекиси водорода?

В чистом виде это бесцветная вязкая жидкость, почти в полтора раза более плотная, чем вода. Перекись водорода замерзает при - 0,89 и кипит при 151 Цельсия. Вычислены плотность паров ее и плотность кристаллов, теплота плавления и теплота парообразования. Казалось бы, физические свойства перекиси водорода можно считать изученными. Но вот простой опыт показывает, что мы еще не все знаем об этом веществе. В темную комнату, в которой находится склянка с перекисью водорода, вносят фотографическую пластинку. Потом пластинку проявляют, и она оказывается черной. Почему? Есть только одно подозрение: пластинка почернела от каких-то излучений перекиси. Но что это за излучения, как они возникают? На эти вопросы пока нет определенного ответа.

Изучены, казалось бы, и химические свойства "окисленной воды". Прежде всего, перекись водорода - самый сильный окислитель. Кислород, который выделяет она, превращает сернистую кислоту в серную, фосфористую - в фосфорную, мышьяк - в мышьяковую кислоту. Органические кислоты -щавелевая, молочная, яблочная - сгорают от перекиси. Индиго и другие красители разрушаются, обесцвечиваются.

Но самый сильный окислитель оказывается и очень сильным восстановителем. Кислород, выделяющийся из перекиси водорода, находится в активном атомарном состоянии. А мы знаем, устойчивая форма кислорода - молекулярная из двух атомов. И поэтому каждый атом кислорода, образовавшийся при разложении перекиси, стремится найти себе пару - второй кислородный атом. Именно поэтому перекись взаимодействует с окисью серебра, отбирая у нее кислород и восстанавливая металлическое серебро.

Еще Тенар установил, что перекись водорода разлагается от действия многих веществ: серебра, золота, платины, палладия, окиси железа. Позже было доказано, что перекись разлагается от ферментов, содержащихся в слюне, от окислов марганца и кобальта, от родия и иридия, от солей железа и солей меди. Но механизм этого разложения во многом неясен и до сих пор. Можно предположить, что вещества, разлагающие перекись водорода - катализаторы, образуют промежуточные нестойкие соединения. Можно предположить, что катализаторы дают только первый толчок, а дальше разложение ее идет по законам цепных реакций: каждая распавшаяся молекула выделяет энергию, достаточную для разложения нескольких других.

О разложении перекиси водорода под действием катализаторов исписаны тысячи страниц. Химикам пришлось столкнуться со многими интересными явлениями. Если, например, в качестве катализатора используются соли железа, разложение идет сравнительно медленно. Но стоит добавить немного солей меди, как скорость реакции увеличивается в 20 раз, хотя сами по себе соли меди способны вызвать лишь очень и очень слабое разложение перекиси. Это явление получило название активации. И наоборот, иногда ничтожнейшая добавка какого-нибудь вещества сводит на нет действие сильного катализатора. Одна десятитысячная часть цианистого калия почти полностью уничтожает каталитическое действие платины. Резко замедляют разложение перекиси и другие вещества: сероуглерод, стрихнин, фосфорная кислота, фосфат натрия,  йод.

Многие свойства перекиси водорода изучены детально, но есть и такие, которые до сих пор остаются загадкой. Раскрытие ее секретов имело и непосредственное практическое значение. Прежде чем широко применять перекись, нужно было решить старый спор: что же такое перекись - взрывчатое вещество, готовое взорваться от малейшего толчка, или безобидная жидкость, не требующая предосторожностей в обращении?

Химически чистая перекись водорода весьма устойчивое вещество. Но при загрязнении она начинает бурно разлагаться. И химики сказали инженерам: вы можете перевозить эту жидкость на какие угодно расстояния, нужно только одно, чтобы она была чистой. Но ведь она может загрязниться в дороге или при хранении, что же делать тогда? Химики ответили на этот вопрос: добавьте в нее небольшое количество стабилизаторов, катализаторных ядов.

Однажды, в годы второй мировой войны, произошел такой случай. На железнодорожной станции стояла цистерна с перекисью водорода. От неизвестных причин температура жидкости начала подниматься, а это значило, что уже началась цепная реакция и грозит взрыв. Цистерну поливали холодной водой, а температура перекиси водорода упорно поднималась. Тогда в цистерну влили несколько литров слабого водного раствора фосфорной кислоты. И температура быстро упала. Взрыв был предотвращен.

ЗАСЕКРЕЧЕННОЕ ВЕЩЕСТВО

Кто не видел окрашенные в синий цвет стальные баллоны, в которых перевозят кислород? Но мало кто знает, насколько невыгодна такая перевозка. В баллоне помещается немногим больше восьми килограммов кислорода (6 кубических метров), а весит один только баллон свыше семидесяти килограммов. Таким образом, приходится перевозить около 90%  бесполезного груза.

Намного выгоднее перевозить жидкий кислород. Дело в том, что в баллоне кислород хранится под высоким давлением - 150 атмосфер, поэтому стенки его делают довольно прочными, толстыми. У сосудов для транспортировки жидкого кислорода стенки тоньше, и весят они меньше. Но при перевозке жидкого кислорода он непрерывно испаряется. В небольших сосудах за сутки улетучивается 10 -  15% кислорода.

Перекись водорода соединяет преимущества сжатого и жидкого кислорода. Почти половина веса перекиси - это кислород. Потери перекиси при правильном хранении незначительны - 1% за год. Есть у перекиси и еще одно преимущество. Сжатый кислород приходится нагнетать в баллоны при помощи мощных компрессоров. Перекись водорода легко и просто заливается в сосуды.

Но кислород, полученный из перекиси, намного дороже сжатого или жидкого кислорода. Применение перекиси водорода оправдано только там, где соображения экономичности отступают на второй план, где главное - компактность и малый вес. Прежде всего, это относится к реактивной авиации.

В годы второй мировой войны название "перекись водорода" исчезло из лексикона воюющих государств. В официальных документах это вещество стали называть: инголин, компонент Т, ренал, аурол, гепрол, субсидол, тимол, оксилин, нейтралин. И только немногие знали, что все это псевдонимы перекиси водорода, ее засекреченные наименования.

Что же заставило засекретить перекись водорода?

Дело в том, что ее стали использовать в жидких реактивных двигателях - ЖРД. Кислород для этих двигателей запасается в сжиженном виде или в виде химических соединений. Благодаря атому в камеру сгорания оказывается возможным подать за единицу времени очень большое количество кислорода. А это значит, что можно увеличить и мощность двигателя.

Первые боевые самолеты с жидкостными реактивными двигателями появились в 1944 году. В качестве топлива использовался древесный спирт в смеси с гидратом гидразина, в качестве окислителя - 80-процентная перекись водорода.

Перекись нашла применение и в реактивных снарядах дальнего действия, которыми немцы обстреливали Лондон осенью 1944 года. Двигатели этих снарядов работали на этиловом спирте и жидком кислороде. Но в снаряде был еще и вспомогательный двигатель, приводивший в движение топливные и окислительные насосы. Этот двигатель - маленькая турбинка - работал на перекиси водорода, точнее-на парогазовой смеси, образующейся при разложении перекиси. Мощность его составляла 500 л. с. - это больше, чем мощность 6 тракторных двигателей.

ПЕРЕКИСЬ РАБОТАЕТ НА ЧЕЛОВЕКА

Но по-настоящему широкое применение перекись водорода нашла в послевоенные годы. Трудно назвать такую отрасль техники, где не применялась бы перекись водорода или ее производные: перекись натрия, калия, бария.

Химики используют перекись в качестве катализатора при получении многих пластмасс.

Строители при помощи перекиси водорода получают пористый бетон, так называемый газобетон. Для этого в бетонную массу добавляют перекись. Образующийся при ее разложении кислород пронизывает бетон, и получаются пузырьки. Кубический метр такого бетона весит около 500 кг, то есть вдвое легче воды. Пористый бетон - прекрасный изоляционный материал.

В кондитерской промышленности перекись водорода выполняет те же функции. Только вместо бетонной массы она вспучивает тесто, отлично заменяя соду.

В медицине перекись водорода давно использовалась в качестве дезинфицирующего средства. Даже в зубной пасте, которой вы пользуетесь, есть перекись: она обезвреживает полость рта от микробов. А совсем недавно ее производные - твердые перекиси - нашли новое применение: одна таблетка из этих веществ, например брошенная в ванну с водой, делает  ее   "кислородной".

В текстильной промышленности при помощи перекиси отбеливают ткани, в пищевой - жиры и масла, в бумажной - древесину и бумагу, в нефтеперерабатывающей добавляют перекись в дизельное топливо: она повышает качество горючего и т. д.

Твердые перекиси используются в водолазных скафандрах и изолирующих противогазах. Поглощая углекислый газ, перекиси выделяют кислород, необходимый для дыхания.

С каждым годом перекись водорода завоевывает все новые и новые области применения. Еще недавно считалось неэкономичным применять перекись водорода при сварке. Но ведь в ремонтной практике бывают и такие случаи, когда объем работы небольшой, а сломанная машина находится где-нибудь в отдаленной или труднодоступной местности. Тогда вместо громоздкого ацетиленового генератора сварщик берет маленький бензобачок, а вместо тяжелого кислородного баллона - портативный перекисный прибор. Перекись водорода, залитая в этот прибор, автоматически подается в камеру с серебряной сеткой, разлагается, и выделившийся кислород идет на сварку. Вся установка размещается в небольшом чемодане. Это просто и удобно.

Новые открытия в химии действительно делаются в обстановке не очень торжественной. На дне пробирки, в окуляре микроскопа или в раскаленном тигле появляется маленький комочек, может быть, капля, может быть, крупинка нового вещества! И только химик способен разглядеть его чудесные свойства. Но именно в этом и состоит настоящая романтика химии - предсказывать будущее вновь открытому веществу!