 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
150
химических реакций при высоком давлении возникла сравнительно давно: еще с 1917г. аммиачное
производство осуществлялось при давлении 300 атм и температуре 600° С. В последние
десятилетия с развитием космической технологии и синтезом искусственного алмаза произошли
существенные изменения в химии высоких и сверхвысоких давлений. Во многих опытно-
промышленных установках достигается 5000 атм. Уже проводятся испытания при давлении выше
600 000 атм, которое возникает за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли
секунды. Ядерные взрывы сопровождаются еще более высоким давлением.
При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов,
вследствие чего повышается химическая реакционная способность реагентов. При давлении 10²–
10³ атм исчезает различие между жидкой и газовой, а при 10³–10
5
атм– между твердой и жидкой
фазами. При повышении давления до 10
6
атм образуется металлическая связь. Более высокое
давление приводит к образованию неупорядоченного конгломерата электронов и ядер, подобного
плазме.
Высокое давление ведет к существенному изменению физических и химических свойств
вещества. Например, сталь при давлении 12 000 атм становится ковкой и гибкой, а при 20 000 атм
металл эластичен, как каучук. При давлении 400 000 атм элементная сера – диэлектрик при
обычном давлении – приобретает электропроводящие свойства. Обычная вода при высоких
температурах и давлениях становится химически активной, и растворимость солей в ней
становится в 3–4 раза выше, чем при нормальных условиях.
С повышением давления 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. Металлический водород уже при 100 К
переходит в сверхпроводящее состояние. С применением твердого водорода в качестве ракетного
топлива полезный груз ракеты увеличивается с 10 до 60%.
Синтез алмазов
Одно из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений – синтез алмазов.
Искусственные алмазы были 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. Первые искусственные алмазы стоили в 30 раз дороже
природных, но уже к началу 60-х годов 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 советская промышленность производила более 2500 видов таких инструментов – от
крошечных волочильных устройств до громадных режущих дисков для крупных каменных
блоков.
Промышленный синтез алмазов основан на превращении графита в реакторе высокого
давления (рис. 6.11). Катализатором при таком превращении служат различные вещества:
металлический никель, сложные смеси железа, никеля и хрома, смеси карбида железа Fe3C с
графитом. Кристаллизация алмазов происходит при давлении 50 000–60 000 атм и температуре
1400–1600° С. Алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн.
Обычно в реакторах высокого давления синтезируются 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 6мм. По такой технологии небольшие кристаллы
алмаза вначале растворяют в расплавленном катализаторе и затем в более холодные области
расплава помещают в качестве затравки крошечные алмазинки. Процесс кристаллизации алмазов
при этом длится несколько суток при давлении 55 000–60 000 атм и температуре 1400–1500° С.
Данная технология позволяет выращивать монокристаллы алмаза относительно крупных размеров
и высокого качества. Синтез алмазов, которые можно было бы превратить в крупные бриллианты
так сложен и дорог, что синтезированные бриллианты не могут конкурировать с природными: