Ионно-молекулярное разнообразие

В нашем мире все, на что ни кинь взгляд, находится либо в твердом, либо в жидком, либо в газообразном состоянии. Есть и четвертое состояние вещества — плазма, представление о которой можно получить, наблюдая, например, Солнце. Температура в плазме столь высокая, что в ней нет сложных молекулярных образований, а преобладают ноны и электроны.

Обычная цепочка перехода из одного состояния в другое это последовательность: «твердое тело - жидкость - газ - плазма». Роль стрелочника тут играет температура. Нагрев твердых тел приводит к их плавлению, затем к кипению, испарению, а в дальнейшем и к образованию плазмы. Первые два фазовых перехода (плавление и кипение) легко наблюдаются в повседневной жизни. Но переход к плазме требует существенно больших энергий, и потому свидетелем его становится далеко не каждый.

В научной литературе различают «газ» и «пар». Есть специальное понятие «критическая температура», выше которой пар становится газом. Суть различия между паром и газом заключается в том, что пар можно сжать так, что он превратится в жидкость, а газ нельзя. Поэтому переход к плазме содержит еще ряд промежуточных этапов, и цепочку лучше изобразить так: «твердое тело - жидкость - пар - газ - слабоионизованный газ - плазма».

Что нового появилось в этой цепочке за последнее время? Ответ можно сформулировать кратко: прямой переход: «насыщенный пар - плазма». (Насыщенный пар — это пар, находящийся в равновесии с жидким или твердым веществом, например, пары воды в кипящем чайнике.)

Ответ немедленно приводит к следующему вопросу: а что же запрещало этот переход раньше? Энергетика. Когда нагреваешь вещество, оно сначала испаряется и лишь потом при дальнейшем нагреве образовавшегося газа начинается ионизация, связанная с отрывом электрона от молекул. И только в последнее время были найдены вещества, ионизация которых происходит с образованием сложных многоатомных ионов. Энергетические характеристики этих процессов оказались соизмеримы с энергиями фазовых переходов, и удалось поставить эксперименты по исследованию насыщенного пара, обладающего свойствами плазмы.

Что нового дали эти исследования? Было установлено, что есть огромное количество новых, ранее неизвестных многоатомных ионов, которые сосуществуют с не менее разнообразными молекулярными соединениями. Основная отличительная черта состояния «насыщенный пар — плазма> как раз и есть многообразие ионных и молекулярных форм.

Вот конкретный пример. Если взять смесь трифторида алюминия (AIF3) и фторида натрия (NaF) и нагреть ее до температуры в тысячу градусов, то в паре, находящемся в равновесии с кристаллами, то есть в насыщенном паре, находятся молекулы NaF, Na2F2. NaAlF4, Na2AI2F4, Na2AIF8, AIF3, AI2F6 и ионы Na+, Na2F+, Na2AIF4+, F , NaF2 , AlF3, AI2F7 , Na2AI2F8. При этом концентрация электронов незначительна, и можно говорить о безэлектронной плазме. Это уникальное сочетание, «насыщенный пар — плазма», возникающее при термическом нагреве большого класса труднолетучих неорганических соединений, оказалось поставщиком важных экспериментальных данных для высокотемпературных технологических процессов.

К началу пятидесятых годов резко возросла потребность в термостойких материалах и покрытиях, главным образом в связи с быстрым развитием ракетной техники и программами космических исследований. Сформировалось целое направление — химия высоких температур. Одно из центральных мест здесь занимают исследования паров труднолетучих соединений, потому что создателям новых материалов важно знать, в виде каких молекул испаряются термостойкие соединения, а также отчетливо представлять себе энергетику этих процессов. В последующие годы появился целый ряд других проблем, связанных с высокотемпературными промышленными процессами: выращивание из газовой фазы кристаллов, вакуумное напыление пленок, обладающих полупроводниковыми свойствами, прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (МГД-генераторы). Во всех случаях паровая фаза и ее характеристики имеют ключевое значение для успеха всего процесса. Особенно наглядно это видно в случае МГД-генераторов, где основная характеристика — электропроводность рабочего тела.

Видимо, в ближайшее время высокотемпературный пар найдет себе множество новых практических применений — в сварке, в электрошлаковом переплаве, используемом для получения лучших сортов стали, в очистке катализаторов, переработке нефти, в напылении пленок при изготовлении интегральных схем и в деле охраны окружающей среды, захватывая летучие отходы, образующиеся при работе ядерных реакторов.