Перекись водорода

Секретное топливо (которое в общем-то и не топливо).

Перекись водорода открыта в начале XIX в. известным французским химиком Луи Жаком Тенаром (иногда встречаются другие написания этой фамилии — Теннар или Тенард). И Тенар же первым использовал это соединение на практике. С помощью перекиси водорода он реставрировал потемневшую от времени картину Рафаэля.
Разумеется, Тенар имел дело с относительно слабыми водными растворами перекиси — примерно такими же, какой продается в аптеке и используется как антисептик. Кстати, применить это вещество в медицине — как наружный раздражитель — первым предложил все тот же Тенар.

Интерес к концентрированным растворам этого вещества возник значительно позже.

В 1933 г. к власти в Германии пришли фашисты. Подготовка ко второй мировой войне развернулась полным ходом. В этих условиях предложение инженера Гельмута Вальтера построить принципиально новый двигатель для скоростных подводных лодок не могло не встретить активной поддержки.

До 1933 г. Вальтер был руководителем небольшой фирмы, специализировавшейся на производстве точных приборов и научной аппаратуры. Работа с одним из вновь созданных фирмой приборов и столкнула его с перекисью водорода. По небрежности одного из сотрудников фирмы концентрированный раствор H2O2 попал на бумагу, и та мгновенно воспламенилась. Погасить огонь с помощью песка не удалось: горение продолжалось и под песчаным слоем. Ведь песок, равно как и пена из огнетушителя, лишь преграждает доступ к горючему кислорода воздуха. А при распаде H2O2 кислород выделялся. В этом случае, так же как при горении порохов, в кислороде со стороны попросту нет нужды. Помимо всего прочего, этот распад сопровождался выделением большого количества тепла...

Разложение вещества дает энергию и кислород — одновременно! Не нужно быть гением или пророком, чтобы понять перспективность такого вещества. Вальтер жил в Киле — городе верфей, форпосте германского подводного кораблестроения, и немудрено, что мысль инженера моментально связала свойства концентрированной перекиси с интересами подводного флота.

Вальтер поставил серию опытов и убедился: чем больше концентрация раствора, тем больше кислорода он дает. И тем больше выделяется энергии. При концентрации около 75% Н202 выделяется столько тепла, что его уже достаточно для превращения всей образующейся воды в перегретый пар. И этот пар может вращать турбины... При разложении всего одного килограмма 90%-ной перекиси водорода выделяется 1700 литров парогаза, нагретого до 740 °С, и в этих 1700 литрах содержится 423 грамма чистого кислорода...

О том, что в высших военных кругах гитлеровской Германии идеи инженера Вальтера были приняты благосклонно, свидетельствует такой факт. Начиная с 1934 г. и вплоть до конца войны, в немецкой научной периодике не было ни единой публикации, так или иначе связанной с перекисью водорода. А в технической документации она отныне фигурировала под шифрованными названиями: «аурол», «оксилин», «топливо Т»...

Кстати, о топливе. Позже, уже после окончания второй мировой войны, перекись водорода широко использовали в жидкостных реактивных двигателях. Чаще ее брали на роль окислителя, как, например, в английском реактивном снаряде под названием «Управляемая бомба», но иногда и как однокомпонентное реактивное топливо. Парогаз — вполне приемлемое рабочее тело для ЖРД. Именно в этом качестве работала перекись водорода в ракетах «Фау-1» и «Фау-2» — широко разрекламированном «секретном оружии» гитлеровцев в конце войны. В парогаз превращается она и в двигателях американских ракет «Редстоун», «Викинг», «Юпитер» и других. А в 1975 г. появилось сообщение о складном спасательном вертолете массой всего 75 килограммов, сконструированном в США. В нем также работает парогаз. Микровертолет, работающий на 90%-ном растворе H2O2, способен преодолеть расстояние в 40 километров.
Вернемся, однако, в прошлое — но не столь уж далекое...

Ни реактивные «Фау», ни скоростные подводные лодки не помогли предотвратить крах фашистского рейха. До конца войны успели построить 11 лодок с парогазотурбинными установками Вальтера, но незадолго до капитуляции все они были затоплены или взорваны.

Одну из таких лодок сумели поднять со дна и поставить на ход англичане — командование военно-морскими силами бывшей владычицы морей распорядилось сделать все возможное и невозможное для того, чтобы заполучить эту принципиально новую лодку, а также техническую документацию и специалистов. Лодку перегнали к берегам туманного Альбиона. В Англию же был вывезен и ее изобретатель.

Но дело двигалось медленно. Лишь в середине пятидесятых годов на британских верфях были построены две подобные лодки. При испытаниях одной из них была достигнута небывалая, как казалось англичанам, скорость—25 узлов (1 узел = 1,852 километра в час). Говорят, инженер Вальтер только иронически улыбался, читая сенсационные сообщения английских газет о мировом рекорде скорости под водой. Он-то знал, что еще в 1942 г. при испытании опытного образца «его» лодки Ф-80 была достигнута скорость в 28,1 узла...

Подводные лодки на концентрированных растворах перекиси водорода большого распространения не получили. То, что было (или казалось) последним словом техники в конце тридцатых — начале сороковых годов, на исходе пятидесятых уже «не смотрелось». Не смотрелось на фоне атомных подводных кораблей... Позиции концентрированных растворов перекиси водорода в ракетных и авиационных двигателях оказались более прочными.

Расскажем подробнее о свойствах концентрированных растворов H2O2, ибо именно эти свойства определили возможности и военного, и мирного применения этого вещества. Здесь же — и совсем немного — о получении концентрированных растворов.

Вообще, перекись водорода получают разными способами, в частности электрохимическим. При электролизе водных растворов серной кислоты получается другая кислота — надсерная, которая гидролизуется водяным паром. При этом образуется слабый раствор перекиси водорода, который затем очищают и концентрируют в специальных ректификационных колоннах. В результате получается прозрачная бесцветная жидкость в 1,3—1,4 раза тяжелее воды. Это товарная маловодная перекись. Содержание H2O2 в ней—80—90%.

Ей свойственны: слабый запах, напоминающий запах окислов азота, сильное разъедающее действие при попадании на кожу (о причинах чуть ниже), способность смешиваться во всех отношениях с водой и этиловым спиртом, сравнительно большая химическая стойкость. Большая—для перекисных соединений, «переполненных» кислородом.
Обычно по комплексу химических свойств перекись водорода относят к кислотам. Но это очень слабая кислота, не способная даже изменить цвет лакмусовой бумажки. А кожу обжигает она не как кислота, а как сильный окислитель.
Химическая стойкость перекиси водорода зависит прежде всего от ее чистоты и от температуры. Считается нормальным, если потери перекиси при хранении составляют не больше одного процента в год. Если больше, значит что-то не так. При обычной температуре маловодная чистая перекись может храниться не-ограниченно долго. Но стоит в литре H2O2 оказаться всего одному миллиграмму меди или хрома, и тогда потери активного кислорода всего за сутки составят 85—96%.

Приведенные цифры характеризуют поведение 90%-ной перекиси при температуре 100 °С. Не надо удивляться последней цифре: самопроизвольный распад перекиси водорода сопровождается выделением больших количеств тепла, и такая температура легко достигается без подвода тепла извне. А при 140—150 С разложение носит характер взрыва... Кстати, 140 °С — температура кипения 90%-ной H2O2, а 151,4°С —100%-ной.

Как мы уже знаем, в некоторых случаях большая скорость распада перекисных молекул бывает полезна. Вальтер в своих исследованиях подбирал специальные катализаторы разложения и в конце концов остановился на перманганатах натрия и кальция. В других же случаях, при хранении например, разложение перекиси водорода нужно замедлить. Это делают, применяя специальные стабилизаторы.

Стабилизаторов перекиси водорода открыто довольно много. Ортофосфорная, пирофосфорная и оловянная кислоты, их соли, гидроксихинолин — только некоторые из них, самые известные. Но универсального стабилизатора пока нет. От катализирующих распад перекиси ионов меди хорошо защищают соли оловянной кислоты, а от ионов хрома—фосфорной. Если примесей немного, стабилизаторы эффективны, но при значительном загрязнении перекиси они не могут предотвратить распад. Главное условие сохранности это все-таки чистота самой перекиси. Ее и необходимо соблюдать при получении, транспортировке, перекачке, хранении.

Хранят перекись, как правило, в емкостях из чистого и вдобавок пассивированного алюминия. Этот металл практически не ускоряет разложения перекиси водорода. А вот сталь неприемлема: мало того, что в большинство сталей входит хром, главный компонент всех сталей — железо тоже активно разлагает перекись водорода. Кстати, железо входит и в молекулу антиперекисного фермента каталазы...

Конечно, окислительными свойствами перекиси водорода пользуются не только в военных и энергетических целях.
Несколько лет назад ученые Кубанского сельскохозяйственного института исследовали, как влияют на семена риса растворы перекиси. Полагали, что это влияние, при соответствующем подборе концентраций, должно быть плодотворно, и вот почему. Рис возделывают на затопленных водою полях. Следовательно, доступ кислорода к семенам и росткам затруднен. Будущую нехватку кислорода можно было попытаться скомпенсировать предварительным выдерживанием семян в богатой кислородом перекиси.

Слабого 1%-ного раствора оказалось вполне достаточно. Все без исключения семена, выдержанные в таком растворе, дали всходы. Семена контрольной группы, пролежавшие такое же время в дистиллированной воде, показали значительно худший результат: всхожесть около 70%... Перекисная ванна в конечном счете сказалась и на урожае. С опытного поля риса собрали больше, чем с контрольного: на 8 центнеров с гектара.

Перекись водорода используют и как консервант пищевых продуктов. А недавно ученые одной из африканских стран предложили использовать сравнительно концентрированные растворы перекиси для сохранения молока при транспортировке. Очевидно, что в жарких природных условиях эта проблема особенно сложна и актуальна. Перекись водорода уничтожает вредные бактерии и при разложении не дает вредных продуктов. Правда, сама она не вполне безвредна. Следовательно, сложность заключалась в подборе таких перекисных добавок (по количеству и концентрации), чтобы «мавр» успевал уйти — разложиться, сделав свое дело. Наилучшие результаты получили при использовании 40%-ного раствора H2O2. Количество добавляемой перекиси зависело от расстояния, на которое везли молоко, от вида тары и, конечно, от объема.

Применение перекиси водорода в промышленности — разнообразнее, чем в сельском хозяйстве и связанных с ним отраслях. Ее используют для отбелки шерсти, шелка, мехов, древесной массы. Здесь важно не только то, что перекись водорода — активный окислитель, но и то, что она не дает вредных отходов производства. Используют ее и как инициатор некоторых химических реакций, например образования высокомолекулярных соединений из мономеров в производстве синтетического каучука.

Если из того же каучука нужно сделать легкую пористую резину, он еще раз встречается с перекисью водорода. Перекись, точнее, выделяемый ею кислород, служит пенообразователем. В электронной промышленности перекисью водорода протравливают германиевые пленки. Наконец, перекись водорода как самая доступная из перекисей нужна для получения других, более сложных, перекисных соединений.

А в медицине перекись водорода используют не только в виде раствора, но и в таблетках. Известное дезинфицирующее средство «Гидроперит» — это комплексное соединение перекиси водорода (35%) с карбамидом (мочевиной).
Одним словом, дел для этого в меру капризного вещества найдено великое множество.