Уже понад півтисячі людей з 35-ти країн побували у космосі. Учені передбачають, що у наступному, XXII столітті, будуть створені невеликі колонії у космосі, однак не на повному самозабезпеченні, а такі, що потребуватимуть надходжень техніки (електроніки, медичної апаратури, наукових приладів) із Землі. У цьому ж столітті людство віддаватиме перевагу використанню космосу в інтересах забезпечення життєдіяльності на Землі, а також численним туристичним польотам у космос.
Коли ти, читачу, підростеш, космічні подорожі будуть такими ж буденними, як мандрівки в екзотичні куточки нашої планети. Уже сьогодні люди готові витрачати величезні кошти (один політ – від 25–35 мільйонів доларів), щоб побачити Землю з космосу, виконати цікаві експерименти, пізнати неймовірне відчуття невагомості: підстрибнув і, замість того, щоб приземлитися, летиш і летиш вгору! І хоча досягти короткочасної невагомості можна і на Землі, тривала невагомість можлива лише у космосі.
Науковці досліджують речовини у різних умовах: у вакуумі, під дією лазера, у невагомості. А ми, „земні” хіміки, спробуємо спрогнозувати, як невагомість вплине на різні процеси і чи може це нам знадобитися.
Що таке невагомість?
Кожний шестикласник знає, що вага – це сила, з якою тіло внаслідок дії Землі тисне на опору або розтягує підвіс. А тепер уяви, що опора разом з тілом падає в гравітаційному полі Землі. І опора, і тіло рухаються з однаковою швидкістю, а, отже, тіло не тисне на опору і перебуває у стані невагомості. Де таке явище можна спостерігати? На Землі – у кабіні ліфта, який зірвався з тросів і вільно падає. Насправді, це не вільне падіння, бо крім сили тяжіння на ліфт діє сила опору з боку повітря. Політ на космічному апараті, що обертається навколо Землі – це теж падіння на Землю. Станція рухається горизонтально за інерцією і водночас падає на Землю вертикально, тому її відстань до поверхні Землі не змінюється.
Космонавти, які перебувають у стані невагомості в кабіні космічного апарата, спостерігають дуже цікаві ефекти. Водночас невагомість створює особливі умови для організації їхньої професійної діяльності. В умовах невагомості деякі фізичні та хімічні процеси (наприклад, горіння, конвекція) відбуваються зовсім інакше, ніж ми звикли.
„Кулясті” рідини
Вплив невагомості на речовину залежить від її агрегатного стану. Поведінка газів істотно не змінюється: молекули газів рівномірно розподіляються в посудині, „не прагнучи” донизу, адже у невагомості немає ані „верху”, ані „низу”. У невагомості рідини набувають власної сферичної форми. Якщо рідина добре змочує поверхню лабораторного посуду, то вона розтікатиметься по ньому тонким шаром, щоб зайняти якомога більшу частину поверхні. Вона підніметься по стінках і покриватиме посуд і зсередини, і ззовні (якщо посуд відкритий). Погодься, не дуже зручно проводити реакції у розчині, яким пробірка змочена і зсередини, і ззовні! Якщо ж рідина погано змочує поверхню, то вона вилетить з посудини у вигляді кульки. І знову проблема: як проводити реакцію, якщо два розчини не змішуються, а висять у повітрі в різних кінцях лабораторії?
У невагомості важко дозувати рідини-кульки. Уяви, що треба налити 10 мл розчину: це півкульки чи четвертинка? Звичайна склянка чи мірний циліндр не допоможуть. Для вимірювання об’ємів речовин доведеться використовувати шприци-дозатори чи мірні піпетки.
Як не спалити електрочайник у невагомості
Оскільки повітря на космічній станції невагоме, то сила Архімеда тут теж відсутня, а, отже, зникне і конвекція. Теплі шари рідини чи газу у невагомості не піднімаються вгору, щоб звільнити місце холодним. Щоб у кабіні корабля на МКС не утворювалися „застійні зони” з вуглекислого газу, а тепле та холодне повітря рівномірно перемішувалося, усюди встановлюють вентилятори.
За відсутності вентиляції природним механізмом перемішування рідин і газів є дифузія: рухаючись хаотично і безладно, молекули повільно „розповзаються” в усі боки.
Але дифузія – дуже повільний процес, тому рідина нагріватиметься лише поблизу стінки посудини, яку підігрівають (теплопровідність у невагомості ніхто ще не скасовував), і теплі шари не змінюватимуть положення, як ми звикли на Землі. Тому електрочайник у невагомості – річ зайва: вода закипить лише поблизу дна, а нагрівальна поверхня приладу може перегрітися і перегоріти. Щоб рівномірно прогрівати розчини і гази, дослідникам доведеться ретельно перемішувати їх. А щоб кульки рідин не вилітали, їх ще й треба притискати до дна посудини. Ось такі незручності у хімічній лабораторії на космічній станції.
У невагомій хімічній лабораторії
Для хіміків найважливіше – хімічні властивості речовин. А вони залежать від будови речовини, а не від наявності чи відсутності ваги тіла. Отже, хімічні властивості речовин у невагомості не змінюються. Наприклад, якщо вапняк на Землі розкладається під час нагрівання, то він буде розкладатися за тієї ж температури і на ті ж складові у невагомості:
Але у невагомості вапняк нагріти важче: його треба або притиснути до нагрітої поверхні, або нагрівати у мікрохвильовій печі чи інфрачервоним випромінюванням (наприклад, „UFO” ). Втім, якщо сильно притиснути реагенти, то куди подінеться газ, що виділяється в цій реакції? Тому в невагомості речовини зручніше нагрівати випромінюванням.
Невагомість ускладнює контакт реагентів. Наприклад, для проведення реакції нейтралізації між натрій гідроксидом і сульфатною кислотою кулі цих розчинів треба злити разом:
Реакція буде відбуватися у новій спільній кулі, яка „висітиме” в повітрі. Досить незручно зливати небезпечні чи отруйні речовини (сильні кислоти чи окиснювачі), адже вони можуть спричинити опіки і зашкодити здоров’ю дослідника. Доведеться підштовхувати кулі до злиття паличками чи лопатками: такий собі хімічний тривимірний хокей! Весело, але теж небезпечно для здоров’я! Зручніше запастися герметичним посудом з поршнями, щоб витискати кульки реагентів у спільний простір, змушуючи їх до злиття.
Такі ж складності виникнуть і під час проведення реакції між твердими та рідкими речовинами. Так, для проведення реакції між цинком і хлоридною кислотою:
доведеться закинути шматочки металу у середину кульки розчину кислоти так, щоб вони ще й не вилетіли назовні. Добре, якщо шматочки великі. Змішати порошок крейди з тією ж хлоридною кислотою для добування вуглекислого газу набагато важче, бо порошинок крейди мільйони мільярдів, і всіх їх треба якось помістити у кулю з розчином:
Знову доведеться хитрувати з хімічним обладнанням. Одні проблеми хімікам від цієї невагомості!
У реакціях між твердими речовинами і газами (наприклад, під час горіння) великою проблемою буде відсутність конвекції. Продукти горіння, що утворилися, дуже повільно розлітатимуться в усі боки внаслідок дифузії, а нові порції кисню, необхідного для горіння, так само повільно надходитимуть у зону горіння (теж за рахунок дифузії). Тому процес горіння протікатиме повільно і самозгасатиме. Та ще й замість яскравого полум’я горітиме тьмяна кулька (порівняйте полум’я свічки на Землі та в невагомості).
Полум’я свічки на Землі та у невагомості
За відсутності сили Архімеда бульбашки газу, що утворюються в результаті реакції, не будуть відриватися від реагентів і підніматися вгору. У невагомості вони залишаються там, де утворилися. Наприклад, під час взаємодії розчинів сильної нітратної кислоти і поташу (калій карбонату) накопичуватимуться бульбашки вуглекислого газу:
Що довше триватиме дана реакція, то більше бульбашок назбирається всередині кулі рідин. Врешті утвориться куля рідини з великою кількістю бульбашок газу всередині.
Газоподібні продукти реакції можуть її навіть заблокувати. Саме тому неможливо здійснити у невагомості електроліз води:
Бульбашки водню і кисню дуже швидко вкриють електроди, заблокують доступ води до поверхонь пластин, і реакція припиниться.
Таке ж явище буде спостерігатися і під час реакції між двома твердими речовинами, яка супроводжується виділенням газу. Наприклад, у лабораторному методі добування амоніаку (NН3) при взаємодії кальцій гідроксиду і амоній хлориду:
Амоніак повільно дифундує від поверхні часточок реагентів і накопичується між ними. Це призведе до погіршення контакту між гідроксидом і амоній хлоридом, що значно сповільнить реакцію.
У ядерній техніці, мікроелектроніці та інших галузях велике значення мають чисті речовини. Щоб їх отримати, розділяють суміші, виокремлюючи окремі складові. У невагомості розділити суміші досить складно. Суміш води і олії не розшаровується сама на верхній (олія) і нижній (вода), як ми звикли на Землі. Кульки олії зависнуть у кульці з водою, а з часом вийдуть на поверхню і „вилетять” з водяної кулі. Реакції з випаданням осадів у невагомості теж відбуваються особливо: частинки твердих осадових речовин плавають усередині кульки, роблячи її каламутною.
Тепер ти розумієш: хоча хімічні властивості речовин у невагомості не змінюються, робота хіміків там ускладниться. Реактиви літають навколо експериментатора, їх важко об’єднати, ще й продукти реакції заважають самій реакції. Отака підступна „невагома” хімія!
Яка користь від невагомості
Утім, невагомість може стати перевагою. Наприклад, у виготовленні металевої деталі ідеально сферичної форми – кульки для підшипника. На Землі металеві заготовки ретельно обточують до сферичної форми, а в невагомості будь-яка рідина набуває форми ідеальної кулі, тому дрібні розплавлені краплини металу тверднуть і перетворюються на ідеальні кульки для підшипників.
На Землі конвекція – суттєва перешкода у вирощуванні досконалих кристалів. За відсутності конвекції у невагомості кристали ростуть правильної форми, з меншою кількістю дефектів. А що досконаліший кристал, то ближче до ідеальних його властивості. Сучасна електроніка (калькулятори, планшети, комп’ютери) працює на кристалах напівпровідників, і дуже важливо, щоб напівпровідникові деталі мали якомога менше дефектів. Тому кристали, вирощені у невагомості, можуть покращити надійність комп’ютерів і ноутбуків.
Пригадайте: осади в невагомості не осідають. Цю особливість теж можна використати. Основу багатьох пластмас становлять речовини-полімери, які синтезують у процесі полімеризації суспензії. Суспензія – це суміш твердих часточок, нерозчинних у рідині: крейда у відрі для миття дошки чи пісок у каламутній калюжі – приклади суспензії. У процесі полімеризації важливо, щоб тверді частинки суспензії не осідали і не злипалися. На Землі суміші перемішують і додають стабілізатори, а в невагомості суспензію не потрібно перемішувати і стабілізувати, бо частинки не осідають! Отже, добуті на космічній станції полімери матимуть прогнозовані властивості, отримувати їх простіше, а пластмасові вироби на їхній основі будуть міцніші, надійніші та матимуть довший термін придатності.
Ми з’ясували, що невагомість – практично непереборна перешкода для звичайної „шкільної” хімічної лабораторії. Водночас вона відкриває унікальні можливості для дослідження процесів створення впорядкованих структур, експериментів у галузі хімії горіння і синтезу речовин, космічного матеріалознавства та фізики низьких температур, вирішення завдань управління конвекційними потоками у рідинах, створення нових теплообмінних апаратів для потреб космічної техніки. І, можливо, саме тобі, юний читачу, пощастить працювати у такій космічній лабораторії!
Каліберда Микита Сергійович,
учитель хімії
Львівської СЗШ № 50,
фіналіст І Всеукраїнського Інтернет
конкурсу „УЧИТЕЛЬ РОКУ-2016”
за версією науково-популярного
природничого журналу „КОЛОСОК”
