Коллектив авторов - Популярная библиотека химических элементов. Книга первая. Водород — палладий

Первый опытный образец турбодетандера был невелик. Его ротор восьми сантиметров в диаметре весил всего 250 г. Но, как писал П. Л. Капица в 1939 г., «экспериментальная эксплуатация этого турбодетандера показала, что он является надежным и очень простым механизмом. Технический к.п.д. получается 0,79—0,83». И этот турбодетандер стал «сердцем» первой установки для получения кислорода новым методом.

В 1942 г. построили подобную, но уже намного более мощную установку, которая производила до 200 кг жидкого кислорода в час. В конце 1944 г. вводится в строй самая мощная в мире турбокислородная установка, производящая в 6—7 раз больше жидкого кислорода, чем установка старого типа, и при этом занимающая в 3—4 раза меньшую площадь.

Современный блок разделения воздуха БР-2, в конструкции которого также использован турбодетандер, мог бы за сутки работы снабдить тремя литрами газообразного кислорода каждого жителя СССР.

30 апреля 1945 г. Михаил Иванович Калинин подписал Указ о присвоении академику П. Л. Капице звания Героя Социалистического Труда «за успешную разработку нового турбинного метода получения кислорода и за создание мощной турбокислородной установки». Институт физических проблем Академии наук СССР, в котором сделана эта работа, был награжден орденом Трудового Красного Знамени.

В наши дни быстро растет потребность в кислороде многих отраслей промышленности, в первую очередь металлургии. Соответственно растут мощности воздухоразделительных установок. А источник кислорода один — атмосфера.

Этого мнения, при всем уважении к кислороду, автор не разделяет. He надо приписывать кислороду того, что он дать не может. Он и без этого слишком много для нас значит.

ПРИЧИНА «ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАПАХА». «Электрический запах» неизменно появлялся во время первых опытов по электролизу воды. Лишь в середине прошлого века было доказано, что этот запах принадлежит не самому электричеству, а попутно образующемуся при электролизе веществу, которое назвали озоном (от греческого όξω — пахну).

Вскоре было доказано, что озон состоит только из кислородных атомов; он образуется под действием электрических разрядов в воздухе и в чистом кислороде. Озон в полтора раза плотнее обычного кислорода. Его формула O 3. Озон гораздо легче, чем кислород, превращается в жидкость, но в твердое состояние переходит при температуре, довольно близкой к точке плавления кислорода. Температура кипения кислорода и озона соответственно минус 182,97 и минус 111,9°С, а температура плавления — минус 218,8 для O 2и минус 192,7°С для O 3. Цвет жидкого кислорода светло-голубой, озона — темно-синий с фиолетовым оттенком. И в газообразном состоянии озон не бесцветен, ему присуща довольно интенсивная синяя окраска.

Но мало кто видел синий озон — это вещество не стойко, его очень трудно сконцентрировать. При очень малых концентрациях запах у озона приятный, освежающий. Но если бы в воздухе был хотя бы 1% озона, то дышать этим воздухом мы бы уже не смогли, потому что озон весьма токсичен.

ПОЧЕМУ БЫЛ ВОЗМОЖЕН ЗНАМЕНИТЫЙ ДВЕНАДЦАТИДНЕВНЫЙ ОПЫТ. Известно, что природу горения Лавуазье открыл после своего знаменитого двенадцатидневного опыта, в котором он длительное время нагревал в запаянной реторте навеску ртути, а позже — образовавшуюся окись ртути.

Ртуть — металл «полублагородный». При умеренном нагревании она, подобно обычным металлам, соединяется с кислородом.

Но при нагревании выше 450°С окись ртути, подобно окислам благородных металлов, распадается на ртуть и кислород. Кстати, ртуть — единственный из металлов, известных в XVIII в., способный присоединить кислород или, наоборот, отщеплять его от себя — в зависимости от изменения температуры. Возможно, что, если бы Лавуазье работал не с ртутью, а с другим веществом, флогистонная теория могла бы просуществовать еще несколько лет.

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ. Природный кислород состоит из трех изотопов с массовыми числами 16, 17 и 18. Преобладает самый легкий изотоп 16O: на каждые 3150 атомов этого изотопа приходится лишь пять атомов 18O и один атом 17O. Это не значит, конечно, что тяжелые изотопы кислорода бесполезны.

С помощью стабильной «метки» — атомов тяжелого кислорода 18O — удалось выяснить «происхождение» кислорода, выделяемого растениями в процессе фотосинтеза. Раньше считалось, что это кислород, высвобождаемый из молекул углекислого газа, а не воды.

Опыты с метками показали обратное: растения связывают кислород углекислого газа, а в атмосферу возвращается кислород из воды.

ЗАГАДКА ЭФФЕКТА ДОЛА. Говорят, «Париж — всегда Париж», как бы ни менялся со временем его облик. Точно так же кислород — всегда кислород, независимо от того, каким способом и из каких источников он получен. Но в 1936 г. элемент № 8 задал ученым всего мира очередную загадку: американский химик Малколм Дол обнаружил, что изотопный состав атмосферного кислорода и кислорода, полученного при электролизе воды, — неодинаков. «Водный» кислород тяжелее воздушного, содержание в нем тяжелого изотопа 18O примерно на 3% больше (если за 100% считать количество кнслорода-18 в воде, то в кислороде воздуха его 103%).

Как же так? Доказано, что атмосферный кислород — продукт фотосинтеза, причем получается он именно из воды, в процессе дегидрогенизации. На построение сложных органических молекул растение использует углекислый газ и отщепленный от воды водород, а освободившийся кислород уходит в атмосферу. Откуда же берутся три «лишних» процента?

Ответить на этот вопрос пытались и сам Дол, и многие ученые других стран. Но окончательный ответ так и не был получен, а первооткрыватель удивительного эффекта вскоре вообще оставил проблемы фотосинтеза и занялся полимерами.

Еще перед войной исследованием изотопного состава кислорода разного происхождения занялись два советских ученых —

A. П. Виноградов (впоследствии академик) и Р. В. Тейс. Они выяснили, что кислород морской воды легче кислорода воздуха, а тот в свою очередь легче кислорода углекислоты. В этой же работе впервые была установлена тождественность водного и фотосинтетического кислорода (по изотопному составу). Но на вопрос о трех лишних процентах ответа не было.

К исследованиям, прерванным Великой Отечественной войной, Виноградов и Тейс вернулись лишь в 1946—1947 гг. и, казалось, сумели вскоре объяснить эффект Дола. Их расчеты и опыты показали, что легкий изотоп кислорода 16O вступает в реакции немного легче, чем тяжелый, и потому атмосфера постепенно обогащается изотопом 18O. Трехпроцентный избыток соответствует точке равновесия. Главные создатели эффекта Дола — водоросли и микрофлора мирового океана, которые, кстати, регенерируют большую часть атмосферного кислорода.