Архів статей> Хімія> Цілком таємно: вода плюс атом кисню
Завантажити (85,5 Кб)
АБСОЛЮТНО СЕКРЕТНО: ВОДА ПЛЮС АТОМ КИСНЮ
Інженер-капітан II рангу Л. С. ШАПІРО
Хімія і Життя №1, 1972 року з. 45-49
Німецький підводний човен з парогазотурбінних установками, піднята англійцями після війни
ВАЛЬТЕРА осіняє ІДЕЯ
На початку тридцятих років в приморському місті Кілі була невелика фірма, що спеціалізувалася на виробництві дослідницької апаратури і точних інструментів. Керував нею інженер Гельмут Вальтер - людина здібна і заповзятливий. Власноруч перевіряючи роботу одного з виготовлених фірмою апаратів, Вальтер звернув увагу на своєрідні властивості високо-концентрованих розчинів перекису водню. Він спостерігав, як під дією цих розчинів миттєво запалали багато матеріалів органічного походження - папір, тканини, дерево.
Це взагалі-то не дивно: хіміки і раніше знали, що перекис водню - сильний окислювач, саме окисні властивості цієї речовини лежать в основі його традиційних застосувань - для відбілювання тканин і фарбування волосся. Цілком ймовірно, що саме "надлишком кисню" пояснюється і бактерицидну дію перекису. Що ж дивуватися, якщо міцні розчини Н2 О2 воспламеняли горючі речовини? Так і має бути.
Речовини, підпалені перекисом, не вдавалося погасити піском. Проти таких спалахів були безсилі і звичайні вогнегасники, вміст яких, як і пісок, лише припиняє доступ кисню до поверхні горіння і тим самим душить полум'я. Речовини, підпалені концентрованими розчинами Н2 О2. подібно пороху, продовжували горіти і під ізолюючим шаром піску або піни. І горіли до тих пір, поки не витрачалася вся перекис. Значить, кисень виділяється в процесі горіння, міркував Вальтер, а раз так, концентровані розчини перекису водню можна використовувати там, де відчувається дефіцит кисню, наприклад на підводних човнах.
Для тих, хто в той час конструював нові підводні судна, головною проблемою була проблема швидкості. Навіть у найкращих човнів швидкість руху під водою не перевищувала 8 вузлів, тобто 15 кілометрів на годину (1 вузол = 1,852 км / год). Та й цю швидкість судно могло підтримувати не більш години - потім потрібно було спливати для підзарядки акумуляторів. Це обмежувало бойові дії підводників, а самі кораблі під час підзарядки батарей могли стати легкою здобиччю супротивника. Керівників німецького військово-морського флоту, які планували необмежену підводну війну, такі підводні човни вже не влаштовували.
Збільшити підводний швидкість і радіус дії підводних човнів можна було, тільки підвищивши їх енергоозброєність. Але на човнах старої конструкції - з акумуляторними батареями - приблизно четверта частина загального водотоннажності судна припадала на частку енергоустановки. Потрібні були принципово нові ідеї, щоб створити нові човни - швидкі і досить "далекобійні".
Дізнатися все це Вальтеру не склало великих труднощів. Кіль був форпостом німецького підводного кораблебудування. Ідея підводного двигуна на перекису водню захопила Вальтера. Вона приваблювала своєю новизною, і до того ж інженер Вальтер був далеко не безсрібників. Він чудово розумів, що в умовах фашистської диктатури найкоротший шлях до благоденства - робота на військові відомства.
Уже в 1933 році Вальтер самостійно зробив дослідження енергетичних можливостей розчинів Н2 O2. Він склав графік залежності основних теплофізичних характеристик від концентрації розчину. І ось що з'ясував.
Розчини, що містять 40-65% Н2 О2. розкладаючись, помітно нагріваються. Частина води при цьому випаровується. При розкладанні ще більш концентрованих розчинів тепла виділяється набагато більше: вся вода випаровується без залишку, а продукти розкладання - суміш водяної пари і кисню (її називають парогаза), перегріваються. І що ще дуже важливо; кожної концентрації відповідало строго певну кількість тепла, що виділяється. І строго певну кількість кисню. Вальтер зумів побачити абсолютно нову область застосування речовини, відомого більше ста років. І вивчив цю речовину з точки зору наміченого застосування.
Коли свої міркування він довів до вищих військових кіл, надійшло негайне розпорядження: засекретити всі, що так чи інакше пов'язане з перекисом водню. Відтепер в технічній документації і листування фігурували "аурол", "оксілін", "паливо Т", але не загальновідома перекис водню.
КОНСТРУКЦІЯ І НАДІЇ
Перекис водню - продукт нестійкий. Саме це в звичайних умовах шкідливий властивість використовував Вальтер в своїх установках. Він не тільки не прагнув якось стабілізувати розчини, а навпаки, шукав каталізатори, які сприяли б миттєвого розкладання Н2 О2. Такі каталізатори були підібрані, ними виявилися перманганати натрію і кальцію KMnO4 і Са (MnО4) 2. Під дією цих речовин реакція Н2 О2 = Н2 О + O2 йшла миттєво і до кінця.
Продукти реакції подавалися в турбіну, обертали її, а потім викидалися за борт. Так, по "холодному" процесу, працювала перша вальтеровская установка. У неї були два очевидні недоліки. По-перше, кисень слабо розчиняється у воді, і човен з таким двигуном залишала б на поверхні бульбашковий слід. По-друге, викидати за борт невикористаний кисень, особливо в умовах підводного плавання, було б неприпустимим марнотратством. Тому логічним продовженням "холодного" процесу став "гарячий".
Для підводного флоту "гарячий" процес був вигідний ще й тому, що вуглекислий газ (він тепер займав місце кисню) значно краще розчиняється в воді, і човен втрачала "следность".
У 1937 році після успішних стендових випробувань парогазотурбінних установок (ПДТУ) Вальтеру було дозволено виступити з доповіддю перед вищим командуванням німецького військово-морського флоту. На наступний рік на одній з судноверфей (все в тому ж Кілі) почали робити дослідну підводний човен, що отримала шифр Ф-80. У 1942 році будівництво закінчилося. На випробуваннях човен Ф-80 розвинула швидкість 28,1 вузла - в 3,5 рази більшу, ніж у колишніх човнів.
Відразу ж після випробувань грос-адмірал Редер зробив доповідь в штаб-квартирі Гітлера і запропонував негайно почати будівництво 24 підводних човнів з ПДТУ. Бойові підводні човни повинні були мати по дві установки загальною потужністю в 5000 кінських сил. Установки повинні були працювати по "гарячим" процесу на 80% розчині Н2 О2. Застосувати ще більш концентровані розчини не дозволяла їх температура замерзання: якщо 80% -ний розчин твердне при мінус 22 ° С, то 90% -ний - при мінус 9,4 ° С.)
Будівництво підводних човнів з ПДТУ велося в обстановці абсолютної таємності. На кораблі допускали строго обмежене коло осіб за списками, погодженими в вищих інстанціях вермахту. На контрольно-пропускних пунктах стояли жандарми, переодягнені у форму пожежників. Паралельно нарощувалися виробничі потужності. Якщо в 1939 році Німеччина виробляла 6800 тонн перекису водню (в перерахунку на 80% -ний розчин), то в 1944 - вже 24 000 тон, і будувалися додаткові потужності на 90000 тонн на рік.
Однак успіхи Радянської Армії диктували зовсім інший хід подій.
Дослідження Вальтера не пройшли повз відомства Герінга. Енергетичні установки на перекису водню в різних модифікаціях стали застосовувати на літаках, а пізніше і на ракетах Фау-1 і Фау-2. Однак, як і підводні човни з ПДТУ, вони не змогли вплинути на хід війни. Всього німці встигли побудувати 11 таких підводних човнів. В останні дні рейху всі вони були підірвані або затоплені.
В кінці війни командування ВМС США і Англії розгорнули справжнє полювання за документацією підводних човнів з ПДТУ і за фахівцями, які брали участь в їх будівництві та проектуванні. Англійці змогли виявити і підняти з дна одну з човнів. Корабель був відведений до Англії німецькою командою, яку попередили про смертну кару в разі будь-яких диверсій. Туди ж доставили Вальтера. З його участю в 1954-1958 роках в Анг ща були побудовані дві експериментальні підводні човни з ПДТУ - "Експлорер" і "Екскалібер". Отримавши на випробуваннях "Експлорер" 25 вузлів, англійці сповістили світ, що ними встановлений світовий рекорд швидкості під водою.
Надалі ПДТУ не набули поширення в підводному кораблебудуванні. Успіхи атомної енергетики дозволили більш вдало вирішити проблему потужних підводних двигунів.
У повоєнні роки перекис водню продовжувала і продовжує приносити користь людям. Крім традиційних сфер використання (в якості дезинфікуючого засобу і відбілювача), для неї знайшлися абсолютно нові області застосування.
Здатність цієї речовини інтенсивно виділяти кисень при розкладанні використовується у виробництві пористих матеріалів, зокрема гум і легкого бетону. Перекис водню стали застосовувати як каталізатор деяких технологічних процесів. Вона підвищує швидкість утворення синтетичних каучуків з мономерів, виступаючи тут одночасно в якості ініціатора і каталізатора полімеризації. У виробництві електронної апаратури перекис використовують для протруєння поверхні напівпровідникових германієвих плівок.
В останні роки на перекис знову звертають увагу як на можливе джерело енергії. У ФРН будують глибоководний дослідницький апарат "Штінт" ( "Корюшка"), в якому встановлять якусь подобу ПДТУ. Тут продукти розкладання перекису будуть використовуватися для обертання турбогенератора, який виробляє енергію, і на потреби дослідників.
Можливо, на перекис водню ще не раз звернуть увагу при вирішенні якихось нових проблем, недарма ж серед вчених побутує вислів, що нове - це добре забуте старе.
Схема силової установки підводних човнів з ПДТУ, що працюють по "гарячим" процесу
ЩО ВИ ЗНАЄТЕ І ЧОГО НЕ ЗНАЄТЕ Про перекису водню
З усіх відомих науці з'єднань перекис водню - найбагатше киснем. На частку кисню припадає майже 95% її ваги. Для науки і практики дуже важливо, що при розкладанні Н2 О2 спочатку виділяється атомарний кисень, який має значно більшу хімічну активність, ніж навколишній нас кисень повітря.
ВПЕРШЕ НА ПРАКТИЦІ
Першовідкривач перекису водню Луї-Жак Тенар першим же використовував її на практиці. Він власноруч реставрував за допомогою цієї речовини одну з темних від часу картин Рафаеля. Тенар же першим запропонував використовувати перекис водню в медицині - як зовнішній подразник.
ПЕРЕКИС У ПРИРОДІ
Знаменитий російський вчений А. Н. Бах виявив перекис водню у всіх частинах зелених рослин і довів, що в малих концентраціях вона не тільки не шкодить рослинам, але і грає важливу роль в процесах їх дихання. Перекис водню утворюється і в тварин організмах - як один з напівпродуктів біохімічного окислення. Від надміру перекису живі клітини оберігає фермент ката-лази. При нулі градусів одна молекула каталази здатна розкласти до 5 мільйонів молекул Н2 О2.
Вчені Кубанського сільськогосподарського інституту досліджували, як впливають розчини перекису водню на проростають насіння рису. Рис, як відомо, обробляється на затоплених водою полях. Доступ кисню до насіння і паростків утруднений, а це позначається на врожаї. Вирішено було компенсувати нестачу кисню попередніми витримкою насіння в розчинах перекису водню. Досліди дали обнадійливі результати. Наклюнулісь все насіння, витримані в 1% -ому розчині Н2О2, в той час як з контрольної групи насіння, витриманих в дистильованої воді, дали паростки лише дві третини. Замочування насіння в перекису позначилося і на врожаї: збільшення склало в середньому близько 8 центнерів з гектара.
Перекис водню використовували в двигунах підводних човнів і ракет, але ще раніше ця речовина була взято на озброєння представниками світу комах. Жукбомбардір, зазнавши нападу, викидає в бік противника цівку перекису водню, яка виробляється в його організмі.