Сколько известно состояний вещества? Современные физики насчитывают – ни много, ни мало – семь. Три из них весьма широко известны: газ, жидкость, твердое тело. Собственно, в обиходе ни с какими другими мы практически не встречаемся.
Да и химия довольствовалась ими в течение многих столетий. И лишь в последнее десятилетие она стала иметь дело с четвертым состоянием вещества. С плазмой.
Плазма, если хотите, тоже газ. Но газ необычный. В ее состав входят не только нейтральные частицы – атомы и молекулы, но также ионы и электроны. Ионизированные частицы присутствуют и в обыкновенном газе, и чем выше его температура, тем их больше. Поэтому четкой границы между ионизированным газом и плазмой нет. Однако условно считается, что газ превращается в плазму, когда начинает проявлять основные ее свойства, скажем высокую электропроводность.
Как ни парадоксально на первый взгляд, во вселенной плазма – хозяин положения. Вещество Солнца и звезд, газов космического пространства находится в состоянии плазмы. Это естественная плазма. На Земле же ее приходится готовить искусственно, в специальных устройствах, называемых плазмотронами. В них с помощью электрической дуги различные газы (гелий, водород, азот, аргон) превращаются в плазму. Поскольку светящаяся струя плазмы сжата узким каналом сопла плазмотрона и магнитным полем, то в ней развивается температура в несколько десятков тысяч градусов.
О таких температурах уже давно мечтали химики, ведь роль высоких температур для многих химических процессов трудно переоценить. Теперь эта мечта сбылась, и родилась новая отрасль химии – плазмохимия, или химия «холодной» плазмы.
Почему «холодной»? Да потому, что существует еще и «горячая» плазма, разогретая до миллионов градусов. Именно с ее помощью физики стремятся совершить термоядерный синтез – осуществить управляемую ядерную реакцию превращения водорода в гелий.
Химикам же вполне достаточно плазмы «холодной». Изучить, как протекают химические процессы при температуре в десять тысяч градусов, – что может быть заманчивее?
Скептики полагали: напрасен труд, ибо в столь накаленной атмосфере все до единого вещества ожидает одна участь – разрушение, диссоциация самых сложных молекул на отдельные атомы и ионы.
Истинная картина оказалась куда более сложной. Плазма не только разрушала, но и созидала. В ней охотно шли процессы синтеза новых химических соединений, и среди них таких, которые нельзя получить другими способами. Это были удивительные, не описанные ни в одной из химических книг вещества: Al2O, Ba2O3, SO, SiO, CaCl и прочие. Элементы проявляли в них непривычные, аномальные валентности. Все это было очень интересно, но плазмохимия ставила перед собой практически более важные задачи. Получать известные ценнейшие вещества дешево и быстро.
И вот несколько слов о ее достижениях.
Огромна роль ацетилена для многих процессов органического синтеза, скажем, для получения пластмасс, каучуков, красителей и лекарств. Но готовят ацетилен до сих пор по старинке: разлагают водой карбид кальция. Это и дорого и неудобно.
В плазмотроне дело обстоит по‑иному. С помощью водорода создается плазма с температурой в 5000 градусов. Водородная плазменная струя несет свою громадную энергию в специальный реактор, куда подается метан. Метан интенсивно перемешивается с водородом, и в течение одной десятитысячной доли секунды более 75 процентов метана превращается в ацетилен.
Идеально? Бесспорно! Увы, всегда что‑то мешает. Стоит оставить ацетилен на лишнее мгновение в высокотемпературной зоне плазмы, как он начнет разрушаться. Следовательно, необходимо стремительно понизить температуру до безопасной. Этого можно достичь различными методами, но здесь‑то и заключается главная техническая трудность. Пока лишь 15 процентов образовавшегося ацетилена удается спасти от диссоциации. Но и это уже неплохо!
В лабораториях разработан способ плазмохимического разложения дешевых жидких углеводородов на ацетилен, этилен и пропилен.
На очереди стоит чрезвычайно важная проблема – фиксация атмосферного азота. Ведь химическое получение азотсодержащих соединений, например, аммиака, – дело трудоемкое, сложное и дорогое. Еще несколько десятилетий назад пытались в промышленном масштабе осуществить электросинтез окислов азота, но экономическая эффективность процесса оказалась весьма низкой. Плазмохимия в этом случае куда более перспективна.