Химические реакции при высоких давлениях

Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм. относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм. - химии сверхвысоких давлений. Идея активизации химических реакций при повышении давления возникла сравнительно давно: еще в 1917 г. аммиак производился при давлении 300 атм. и температуре 600 °С.

В последнее время во многих промышленных установках давление достигает не менее 5000 атм. Проводятся испытания при давлении выше 600000 атм., которое создается ударной волной при обычном взрыве. Ядерные взрывы сопровождаются более высоким давлением.

Высокое давление ведет к существенному изменению физических и химических свойств вещества. Например, сталь при давлении 12000 атм. становится ковкой и гибкой, а при 20000 атм. металл эластичен, как каучук. При давлении 400000 атм. диэлектрическая сера приобретает электропроводящие свойства. При высоких температурах и давлениях обычная вода химически активна, и растворимость солей в ней повышается в 3-4 раза. При сверхвысоком давлении многие вещества переходят в металлическое состояние. Таким необычным свойством обладает даже газообразный водород - его металлическое состояние наблюдалось в 1973 г. при давлении 2,8 млн. атм. С применением твердого водорода в качестве ракетного топлива полезный груз космического корабля увеличивается с 10 до 60%.

Синтез алмазов

Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений - синтез алмазов. Первые искусственные алмазы синтезированы в 1954 г. (после длительной, пятидесятилетней поисковой работы) почти одновременно в США и Швеции. Синтез осуществлялся при давлении 50 000 атм. и температуре 2000 °С. Такие алмазы стоили в 30 раз дороже природных, но уже к началу 60-х годов XX в. их стоимость существенно снизилась. В последние десятилетия ежегодно производятся тонны синтетических алмазов, по своим свойствам незначительно отличающихся от природных. Различия между синтетическими и природными алмазами можно определить только с помощью точных физических приборов. Доля искусственных алмазов на мировом рынке превышает 75% от объема всей алмазной продукции.

В недалеком прошлом по производству и потреблению алмазов первое место в мире занимал бывший СССР. Более 8000 предприятий в нашей стране пользовались алмазным инструментом, причем производилось более 2500 видов таких инструментов - от крошечных волочильных устройств до громадных режущих дисков для разрезания крупных каменных блоков.

Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого давления при наличии различных катализаторов: металлического никеля, сложной смеси железа, никеля и хрома, и др. Кристаллизация алмазов происходит при давлении 50000 - 60000 атм. и температуре 1400- 1600 °С.

Обычно в реакторах высокого давления образуются алмазные кристаллы размером не более 1 мм. Такие мелкие камни вполне пригодны для промышленных целей, но из них трудно изготовить украшения. Сравнительно недавно разработана новая технология, позволяющая выращивать кристаллы алмаза размером до 6 мм. Однако синтез алмазов, которые можно было бы превратить в крупные бриллианты, так сложен и дорог, что синтезированные бриллианты не могут конкурировать с природными: кристалл искусственного алмаза массой 50 - 60 г (250 - 300 карат) стоит столько же, сколько 1 т золота.

Искусственные алмазы используются преимущественно для промышленных целей. Структура молекулы и буровое оборудование с алмазными кристаллами оказались незаменимыми во многих отраслях промышленности. Алмазная технология позволяет повысить производительность труда на 30 - 50, а в некоторых случаях и на 100%. Искусственные алмазы находят применение при изготовлении часов, прецизионных приборов. Ими режут и обрабатывают твердые металлы, керамику, стекло и т.д. С их помощью изготовляют тончайшую проволоку.

Синтезирована особая разновидность черных алмазов, называемая карбонадо, которая тверже алмазов, встречающихся в природе. Синтез карбонадо основан на методе порошковой металлургии (прессование алмазного порошка производится при давлении 30 - 80 тыс. атм., а его спекание - при 1000 °С). Карбонадо позволяет обрабатывать сами алмазы, из него изготавливают сверхтвердые буровые коронки.

По своей структуре алмаз отличается от графита более плотной упаковкой атомов углерода в кристалле. В 1985 г. были синтезированы фуллерены - новая разновидность многоатомных молекул углерода, состоящая из большого числа (от 32 до 90) атомов углерода и имеющая сферическую форму. Дальнейшие работы привели к созданию не только сферических молекул, но и эллипсоидальных (барелленов), трубчатых (тубеленов) и других конфигураций. Из таких молекул можно создавать материалы невиданной прочности, элементы компьютеров XXI в., молекулярные сита и т.п.

Несмотря на рост производства искусственных алмазов и их широкое применение, обычные твердые материалы в виде различных карбидов металлов не утратили своей практической значимости. Хотя карбиды металлов менее тверды, чем алмазы, зато они более термостойки. Сравнительно недавно из нитрида бора синтезирован материал, который тверже алмаза. При давлении 100 000 атм. и температуре 2000 °С нитрид бора превращается в боразон - материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

К настоящему времени налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней: корунда (красного рубина и синего сапфира), изумруда и др.