11.5. Электрический разряд в газах

Химические реакции в газах и смеси их с твердыми и жидкими веществами могут вызвать искровые, тлеющие и дуговые элек­трические разряды. Каждый вид разряда зависит от давления газа, плотности тока и напряжения на электродах. Для проведе­ния химических реакций применяют в основном тихий и тлею­щий разряды.

Тихий разряд осуществляют, как правило, при давлении газа 50 - 760 торр в разрядных трубках, схемы которых приведены на Рис. 291. Электроды трубок питаются переменным током часто­той 50 Гц с напряжением между электродами 8-15 кВ при низ­кой силе тока.

Трубка Бертло (рис. 291,д) - это вертикальный цилиндричес­кий сосуд 2, помещенный в охлаждающую смесь 1. Внутри сосуда расположена коаксиально узкая пробирка 3, наполненная разбавленным водным раствором серной кислоты, в котором находится бронзовый или свинцовый электрод 5, присоединен­ный к высоковольтному трансформатору.

Рис. 291. Приборы для синтеза веществ в зоне тихого электрического разряда: Бертло (а), Либермана (б)

и двухтрубный (в)

Трубка 2 покрыта сна­ружи алюминиевой или оловянной фольгой 4. Зазор между стенками трубок 2 и 3 составляет 3-4 мм и служит реакционным пространством. Через этот зазор протекает газ или смесь газов, участвующих в химической реакции.

Бертло Марселем (1827-1907) - французским химик, признанный мастер органического синтеза.

Другой тип разрядной трубки, так называемый озонатор Ли­бермана (рис. 291,6), представляет собой простую U-образную трубку 5, в одно колено которой вставлена пробирка 4 с элек­тродом 3, погруженным в разбавленный водный раствор серной кислоты. Через U-образную трубку пропускают кислород. Про­ходя зазор между трубками, он подвергается воздействию тихого электрического разряда и частично превращается в озон. Пла­тиновые электроды 2 и 3 соединены с высоковольтным транс­форматором. Трубку 5 охлаждают в ванне 1.

Либерман Карл Теодор (1842-1914) - немецкий химик-органик.

Более эффективным химическим реактором, в частности озонатором, является двухтрубный разрядный сосуд (рис. 291,в). изготовленный из тонкостенного однородного стекла. Ванна 1 заполнена разбавленным водным раствором серной кислоты или сульфата меди. Пробирки 3 диаметром 20 -.40 мм являются ко­аксиальными по отношению к трубке 2. Три маленьких стеклянных шарика 5, напаянные на пробирку, удерживают ее строго по оси в трубке 2. Зазор между трубками 2 и 3 составляет 1,5 - 3,0 мм.

Рис. 292. Приборы для синтеза веществ в тлеющем разряде: U-образный (а) и типа "камертон" (б):

I - алюминиевые электроды; 2 - реакционная камера: 3 - лодочка с веществом;

4 -охлаждаемый отросток; 5 - трубка для подачи реагента

Электродом 6 служит стальная спица, а средний графитовый электрод 4 заземлен. Напряжение между электро­дами 10 - 13 кВ.

Кислород подают в озонатор из баллона, высушивая предва­рительно в поглотительных склянках (см. разд. 2.2) с концент­рированной серной кислотой или Р4О10. Скорость потока кис­лорода не должна превышать 2-4 л/ч. В этом случае содержа­ние озона в кислороде является оптимальным и достигает 10 -15%. Для сохранения достаточно высокого содержания озона в кислороде на выходе из озонатора необходимо его охлаждение ниже 0 °С.

Тлеющий разряд - форма газового электрического разряда при небольшом давлении газа 0,01 - 1,0 торр (или 1,3 - 130 Па). Признаком появления тлеющего разряда является свечение вблизи поверхности катода ("тлеющая кайма"). Напряжение на электродах с тлеющим разрядом должно быть 10 - 15 кВ при силе тока 100 - 400 мА. Вследствие низкого давления в разряд­ной трубке газ должен быстро проходить через реакционное Пространство, что достигается применением диффузионных или ротационных насосов высокой производительности (см. разд. 10.8).

Конструкции разрядных трубок с тлеющим разрядом для синте­за веществ приведены на рис. 292. В U-образной трубке с лодочкой 3 (рис. 292,о) входящий газ проходит мимо охлаждае­мого отростка 4 и попадает в реакционную камеру 2, в которой он вступает во взаимодействие с веществом, находящимся в кварцевой лодочке 3. Конструкция прибора типа "камертон" (рис. 292,6) понятна из рисунка.

В качестве материала электродов 1 применяют почти исклю­чительно алюминий, тантал или хром, которые обладают незна­чительной склонностью к распылению. Электроды - цилиндри­ческие с толщиной гладкой стенки 0,5 - 1,0 мм. Длина траек­тории разряда 1,0 - 2,5 м при диаметре трубки около 20 мм Часть разрядного пути при проведении некоторых синтезов охлаждают до температуры кипения жидкого азота.