Путешествие в страну РАИ - Дмитрий Николаевич Трифонов

с кислородом. Формулируя вопрос по-другому, говорим: нужно разобраться в механизме следующей реакции:

CH3COOC2Н5 + HOH→CH3СООН + С2Н5OH.

На языке химии эта реакция носит название реакции омыления, или гидролиза, также хорошо известного уксусно-этилового эфира.

Куда переходит кислород из молекулы воды: в кислоту или в спирт? Если в спирт, то, значит, именно с ним кислород связан прочнее.

Для этого нужно «пометить» кислород воды!

К сожалению, радиоактивный изотоп кислорода О15 не подходит: у него слишком мал период полураспада (около 2 минут), и, прежде чем исследование будет проведено до конца, он распадется практически весь.

На сей раз выручает «тяжелый» кислород, О18. Им-то и «метят» воду.

Изучение продуктов гидролиза эфира показывает, что О18 концентрируется в спирте.

Можно взять, наконец, полимеры. Среди них выделяется своими качествами полистирол. В изучении процесса полимеризации стирола большую роль сыграли радиоизотопы. Дело в том, что многие реакции полимеризации для своего успешного протекания нуждаются в специальных «возбудителях» — своеобразных катализаторах. Стирол хорошо полимеризуется в присутствии персульфата аммония. Если к персульфату добавить радиоактивную серу S32, то удается определить длину цепи молекулы полимера. На основе же этих данных легче подобрать наилучшие условия для осуществления процесса.

— Как видите, примеров немало! — продолжал я. — Со временем одним из основных методов исследования в химии станет применение радиоактивных изотопов. Я рассказал об их использовании в качестве меченых атомов. Однако есть и другая область, где используется действие излучений радиоактивных изотопов на вещества, на протекание различных химических реакций… Этой областью занимается новая наука. Сейчас я расскажу немного о ней.

Радиационная химия

Лишь очень немногие реакции могут протекать в обычных условиях, то есть при обычной температуре воздуха и атмосферном давлении.

В большинстве же случаев дело обстоит по-иному. Мало привести реагирующие вещества в соприкосновение. Нужны и другие условия. Мы можем тщательно растереть в фарфоровой чашечке железный порошок с серой, но никакой реакции не произойдет. Стоит, однако, погреть чашечку на газовой горелке, как мы окажемся свидетелями бурного процесса.

Следовательно, высокая температура ускоряет химические реакции. Аналогичным образом действует повышение давления. Наконец, во многих химических процессах применяются так называемые катализаторы. Это различные вещества (чаще всего специально приготовленные металлы, окислы или соли), которые способствуют быстрому течению реакций. Сами же они при этом остаются неизменными.

Очень часто химики используют сочетание всех трех факторов. Например, исключительно важная в экономическом отношении реакция синтеза аммиака из азота и водорода требует температуры до 550° и давления до 1000 атмосфер. Катализатором в процессе служит смесь железа с его окислом и некоторыми другими добавками.

Иногда бывает так, что никакие давления, температуры и катализаторы не могут заставить реакцию идти в темноте. В то же время на свету эта реакция происходит даже при обычных условиях. Такие реакции называются фотохимическими. Простейший пример — выделение серебра из эмульсии фотографической пластинки.

Физика объясняет, что свет возбуждает атомы элементов. Возбужденные атомы весьма активны и легче взаимодействуют между собой.

Световые лучи, расскажет далее физика, суть электромагнитные колебания, обладающие определенной частотой и длиной волны. Наибольшее химическое действие оказывают фиолетовые и ультрафиолетовые лучи с малой длиной волн.

Чем меньше длина волны, тем «жестче» лучи, тем больше у них энергии. Тем сильнее их химическое действие.

Но есть лучи более коротких длин, чем у лучей солнечного спектра.

Это рентгеновские лучи.

Это радиоактивные излучения.

Что радиоактивные излучения могут вызывать химические превращения, было известно давно. Об этом знал еще Беккерель.

Поставив все три типа радиоактивных излучений в один ряд, мы допустили некоторую вольность. Электромагнитными колебаниями являются гамма-лучи; альфа- и бета-лучи — это поток заряженных частиц, но они обладают столь же сильным химическим действием.

Изучение действия радиоактивных излучений на вещество позволило в последнее десятилетие сформироваться новой науке, развитие которой приведет к величайшим достижениям. Это — радиационная химия.

Чаще всего она имеет дело с гамма-излучением, поскольку проникающая способность альфа- и бета-лучей невелика. А для радиационно-химических процессов необходимо, чтобы реакция протекала по всей массе вещества.

В настоящее время сконструированы специальные радиационно-химические установки различной мощности, в которых используются главным образом радиоактивные кобальт Со60 и цезий Cs137.

Как известно, азотная кислота — одно из основных веществ современной химической промышленности. Удобрения, лаки, краски, важные полупродукты, искусственные ткани — все это «дело рук» азотной кислоты. Хотя процессы получения окислов азота (из которых дальше готовят азотную кислоту) разработаны давно, но они требуют значительных затрат и очень сложного и дорогого оборудования.

Совсем недавно радиационно-химические исследования показали, что с помощью гамма-излучения из атмосферного азота можно получить его окислы в обычных условиях. Более того, облучение водных растворов щелочей, насыщенных азотом, показало, что азот в этих условиях может быть окислен непосредственно до азотной кислоты.

Пока это первые шаги. Выходы реакций еще очень малы, а затраты велики. И говорить о производственных масштабах рано. Но то, что недоступно сейчас, станет вполне осуществимым и приемлемым через несколько лет.

Значительно более ощутимы успехи радиационной химии в органической химии.

Прежде всего радиационный крекинг.

Крекингом называется процесс расщепления нефти — обогащения ее простыми, легкими углеводородами, играющими главную роль в составе бензиновых фракций. Получение так называемых ненасыщенных углеводородов — сырья для многих органических продуктов — также задача крекинга.

Нужно пояснить, что такое насыщенные и ненасыщенные углеводороды. Углерод в подавляющем большинстве своих соединений четырехвалентен. Так, с водородом он образует газ метан CH4 — самый легкий из насыщенных углеводородов, к которым принадлежат также этан С2Н6, пропан С3Н8 и так далее. Углерод с углеродом соединен только одной связью; затрачивая одну валентность, остальные связи идут на соединение с атомами водорода. Но известно соединение С2Н4 — этилен, представитель ненасыщенных соединений. В нем каждый атом углерода использует две валентности на соединение с двумя атомами водорода, а две другие — с соседним атомом углерода. Следовательно, у углеродов этилена как бы остаются «резервные», ненасыщенные валентности.

Обычный крекинг проводят при высокой температуре и в присутствии катализатора.

Радиационный крекинг не нуждается в нагреве и применении катализаторов. Сильное гамма-облучение образцов нефти в короткий срок способствует расщеплению тяжелых углеводородов (содержащих длинные цепочки углерода), обогащает бензиновые фракции нефти. Одновременно получается широкий ассортимент ненасыщенных углеводородов.

Однако в других условиях облучение может вызвать и обратный процесс: получение сложных углеводородов из простых — из метана и этана (наиболее легких углеводородов) под действием радиации образуются более сложные вещества. Кроме того, при облучении углеводороды окисляются. В результате образуются столь ценные органические продукты, как альдегиды