Техника - молодёжи 1955-04, страница 10

Схема высокотемпературной печи для фиксации азота воздуха. Печь (3) состоит из двух камер, заполненных «галькой» — множеством маленьких шариков из магнезита, которая позволяет очень быстро охлаждать или подогревать продуваемый через нее воздух и газ. Сначала воздух (1), имеющий температуру 100°С, вдувается в правую камеру. Проходя сквозь слой сгальки» (2), он предварительно подогревается и попадает в пространство (4), где смешивается с топливом (5), которое, сгорая, нагревает образующийся газ до 2100°С. Вслед за этим раскаленный газ продувается через слой холодной гальки* в левой камере (6), где охлаждается до температуры 300°С, после чего выводится из печи через отверстие на дне камеры (7) в общий коллектор (8). При увеличении температуры выходящего из левой камеры газа выше 300°С камеры переключаются.

ния широко применяется процесс Габера, в котором азот воздуха, соединяясь с водородом, дает аммиак. Этот процесс весьма сложен и дорог. Сейчас выявляется возможность производства окиси азота при помощи нового, более простого процесса за счет использования высоких температур.

При 2100°С азот и кислород воздуха соединяются с большей быстротой, образуя смесь, содержащую около 2°/о окиси азота. Однако если такой смеси дать возможность медленно остыть до комнатной температуры, то вся образовавшаяся в ней окись азота снова разделится на азот и кислород. Но эту смесь можно как бы «заморозить», то-есть сохранить без обратного разложения, если быстро охладить ее до температуры ниже 1500°С.

Новый процесс осуществляется в сравнительно простой печи, схема которой показана на рисунке. Важной особенностью такой печи является чрезвычайная быстрота, с которой в ней охлаждается газ до уровня его термической стабильности.

Далее образовавшаяся окись азота отделяется от воздуха. При последующем ее нагреве она соединяется с водой, образуя азотную кислоту.

Химия высоких температур обещает весьма интересные возможности в будущем и в первую очередь получение озона — весьма ценного промышленного сырья. Его можно получать, нагревая до высокой температуры кислород с последующим очень быстрым охлаждением. Другая заманчивая возможность — прямой синтез цианогена (C2N2) из азота и углерода, а также получение ряда ценных продуктов из комплексных газов путем их термического рас

8

щепления в высокотемпературной печи, типа описанной выше. Например, при благоприятных условиях можно было бы получать бутадиен непосредственно из бутана, а ацетилен из природного газа и т. д. Помимо этого, техника быстрого охлаждения позволяет извлекать из горящих газов некоторые ценные промежуточные продукты.

Химия высоких температур не имеет дела со сложными органическими соединениями, так как они не существуют уже при температурах в 2000°С. Некоторые органические соединения, будучи нагреты до высоких температур, расщепляются на химически активные свободные радикалы (например, метиловый радикал СНз), обладающие способностью соединяться в крупные молекулы, то-есть создаются условия для образования множества новых продуктов.

Однако некоторые реакции с участием хлора и фтора могут представить несомненный интерес. Главным затруднением здесь являются проблемы сосуда, который бы не вступал в реакцию с этими веществами.

Реакции между твердыми веществами и газами при высоких температурах имеют особо важное значение. Очень часто молекулы твердого тела переходят в газообразное состояние без химической диссоциации. Иногда они даже становятся более сложными, образуя соединения, которые невозможно получать при комнатных температурах. Если бы окись магния могла быть нагрета до достаточно высокой температуры в восстановительной атмосфере, то она выделила бы магний, и если бы его можно было в этом состоянии удержать без обратного превращения в окись магния, тогда был бы создан способ получения металлического магния из магнезита.

Природа имеет свои высокотемпературные «лаборатории» в виде вулканов. Геохимическое происхождение наших минералов также имеет в основе высокотемпературные химические реакции в жидкой фазе с последующим очень медленным охлаждением.

Температура порядка 10000°С до сих пор могла быть получена только в пламени электрической дуги интенсивного горения при давлении порядка 1 ООО атмосфер. В ее пламени расплавляются все, даже самые тугоплавкие, материалы. Свет этой дуги применялся в качестве источника самого яркого после Солнца света. В ближайшем будущем высокая температура дуги может найти новые области применения — в химии и металлургии.

В обычной электрической дуге электрический ток в положительном электроде проходит только через область ярко светящегося кратера, который, в свою очередь, занимает лишь часть поверхности кончика угля. Размеры кратера зависят от силы протекающего через него тока. Они увеличиваются при росте силы тока и сокращаются при его уменьшении, не усиливая интенсивности горения дуги. Но когда кратер захватывает всю поверхность положительного электрода, положение резко изменяется. Увеличение силы тока, проходящего через одно и то же сечение электрода, теперь вызывает увеличение интенсивности горения дуги, то-есть поднимает ее температуру и усиливает яркость свечения. Однако при этом начинают плавиться угли.

Здесь-то и наступает самое неожиданное и очень важное явление. Если продолжать увеличивать силу тока, то температура дуги неожиданно подскакивает до величины, вдвое и больше превышающей точку кипения углерода, и из положительного электрода вырывается ослепительно яркий и очень длинный язык белого пламени.

Механизм этого явления весьма сложен и мало изучен, но можно предположить, что он протекает так: обычно пространство около поверхности анода заполнено летящими к нему электронами и положительно заряженными ионами газа, движущимися по направлению к катоду. Эти положительные ионы частично нейтрализуют отрицательный пространственный заряд, создаваемый вокруг анода электронным облаком. Когда же вещество анода вскипает, волна испаряющегося газа начинает сдувать со своего пути положительные ионы газа. Тем самым пространство вокруг кратера анода становится еще более отрицательным и каждый новый электрон, прилетевший сюда от катода, должен совершить дополнительно большую работу по расталкиванию находящихся здесь электронов, прежде чем он попадет к поверхности анода, то-есть преодолевая его отрицательный пространственный заряд. Другими словами, большая часть энергии горения, создаваемой током дуги, теперь будет выделяться на очень близком расстоянии от поверхности кратера положительного угля. Это, в свою очередь, вызывает еще большее нагревание угля, ускоряя его испарение.

Этот непрерывный и быстро нарастающий процесс продолжается до некоторого состояния равновесия, при котором из кратера положитель

Камера (трубка) для создания ударных волн в аргоне, при которых развиваются моментальные температуры, достигающие 34000°С: 1 и 2 — взрывчатая смесь водорода с кислородом, 3 — запальная свеча, 4 — медная перепонка, 5 — отверстие для откачки пространства трубки от воздуха, 6 — отверстие для впуска аргона, 7 — окошечко, через которое луч света направляется в спектроскоп (8).