Всё о науке за 60 минут - Марти Джопсон

Выхлопные газы бензиновых двигателей содержат большое количество токсичных соединений. Самое известное из них – монооксид углерода (угарный газ), сильный яд и парниковый газ, но есть также и частицы несгоревшего топлива, которые действуют как основные видимые глазом загрязнители воздуха. И все же наиболее неприятны, пожалуй, оксиды азота, вызывающие кислотные дожди и разрушающие озоновый слой атмосферы Земли. Современные каталитические нейтрализаторы прекрасно справляются со всеми тремя видами загрязнений. Платина и палладий помогают кислороду вступать в реакцию с угарным газом и остатками несгоревшего топлива с образованием безвредного углекислого газа и водяного пара. А родий и платина катализируют распад оксидов азота, чтобы на выходе получились азот и кислород. Для протекания этих реакций выхлопные газы должны находиться в физическом контакте с драгоценными металлами, поэтому нам и нужен керамический монолит со столь тонкими воздушными каналами. Если бы у нас был блок платины, бóльшая часть газа просто обтекала бы его, не касаясь и не вступая в реакции.

С современными каталитическими нейтрализаторами есть ряд проблем. Для того чтобы пошла реакция дожигания с монооксидом углерода и несгоревшим топливом, нужен кислород. Но обычно в машинах все утраивают так, чтобы в выхлопных газах его было очень мало. В современных автомобилях уровень кислорода до и после того, как выхлоп поступает в каталитический нейтрализатор, тщательно отслеживается и автоматика регулирует подачу воздуха в топливную смесь, впрыскиваемую в двигатель. Другая проблема заключается в том, что все эти химические реакции происходят только при высоких температурах, обычно значительно выше 400 °C. Нейтрализатору требуется около пяти минут, чтобы достичь этой температуры, и выбросы в ходе коротких поездок не успевают превращаться в менее вредные компоненты, поскольку каталитический нейтрализатор не работает, пока не прогреется.

Каталитические нейтрализаторы также подвержены «отравлению» продуктами сгорания топлива и постоянному разрушению из-за утечки в системе охлаждения масла и попадания свинца в топливо, поэтому они начали появляться только после того, как в большинстве стран мира стало применяться неэтилированное топливо. Однако самая серьезная проблема заключается в том, что каталитические нейтрализаторы, как бы их ни берегли, со временем изнашиваются. Как вы помните, драгоценные металлы не расходуются, выполняя свою работу, так что причина не в этом. Езда вызывает вибрации и удары, вследствие которых катализирующее покрытие на керамике нейтрализатора частично разрушается. Таким образом, покрытие из драгметаллов просто стряхивается с вашего старого нейтрализатора, и драгоценная платина вылетает из выхлопной трубы на дорогу. Так что в результате вам все же придется раскошелиться на новый.

Это означает, что современная дорожная пыль буквально смешана с платиной, палладием и родием. Если вы соберете мусор с городских дорог и отсортируете из него пластиковые обертки, жестяные банки и органический материал, у вас останется темно-коричневый остаток. И бóльшую его часть составят частички износа множества автомобилей. Каждый, кто водит машину, знает, как часто приходится менять шины. А куда же идут старые? Измельченная резина попадает на дороги вместе с металлическими частицами из каталитических нейтрализаторов.

А знаете ли вы, что на лучших платиновых рудниках в мире рады, если идет руда с содержанием всего в несколько миллионных долей драгоценного металла? Это дорогостоящая, грязная, вредная для окружающей среды деятельность человека, но она стоит того, поскольку добываемая платина очень и очень ценна. Так вот, коричневый осадок на дорогах имеет такой же уровень содержания платины, как и эта лучшая добываемая руда. Однако процесс получения платины, палладия и родия из дорожной пыли начал разрабатываться совсем недавно. Сегодня этим занимаются ученые из Бирмингемского университета в Англии.

Почему лед скользкий?

Вода во всех ее формах – очень своеобразное вещество, чье поведение не соответствует ни одному из тех, которые мы ожидаем от обычных веществ. А что делает воду еще более странной, так это наша близость к ней. Ведь это химическое вещество, с которым мы знакомы лучше всех. Вода буквально пронизывает нашу повседневную жизнь, но при этом надежно хранит свои тайны. Вот, например, одна из них: почему замерзшая вода, то есть лед, скользкая?

Существует классическое объяснение скользкости льда, которое было очень распространено в учебниках и интернете. Звучит оно так: стоя на льду, вы оказываете на него давление, заставляющее его таять; так образуется слой гладкой жидкой воды, по которой вы и скользите. Традиционно это объяснение сопровождается демонстрацией того, что давление действительно заставляет лед таять.

Через ледяной блок, поддерживаемый с обоих концов, перекинута проволока. На каждом конце этой проволоки подвешены тяжелые грузы. Они создают то высокое давление, которое проволока оказывает на лед. Давление понижает температуру плавления льда непосредственно под проволокой до температуры ниже обычной точки замерзания, а затем и ниже температуры окружающей среды. В результате лед под проволокой тает, и она очень медленно прорезает ледяную глыбу. Если все сделано правильно, по мере того как проволока врезается в блок, жидкая вода, образующаяся за счет давления, снова замерзает над проволокой, и блок остается целым. Проволока проходит сквозь ледяную глыбу, целостность которой сразу восстанавливается.

К сожалению, если вы честно примените физику к этой во всех смыслах скользкой теме, к примеру к человеку на коньках, у вас ничего не сложится. Давление, создаваемое коньком, составляет лишь малую долю того, что создается тонкой проволокой с утяжелением. Поэтому при катании на коньках температура плавления льда снижается лишь на незначительную величину, примерно на 0,02 °C. Однако коньки скользят по льду при температурах гораздо ниже нуля, так что теория давления не может объяснить, почему лед скользкий в данном случае.

За последние несколько десятилетий появилась пара различных объяснений, подкрепленных экспериментальными данными. В 1996 году Габор Соморджай из Национальной лаборатории Министерства энергетики США в Беркли решил заняться этим вопросом. Он начал с обоснованного предположения о том, что лед скользкий потому, что его поверхность смазана жидкой водой. Наш повседневный опыт подтверждает это, ведь когда вы, скажем, вытаскиваете кубик льда из морозильной камеры, он уже имеет влажную и скользкую поверхность. Однако если вы исследуете кубик льда при температуре значительно ниже нуля, то не увидите там знакомого блеска воды. В таких условиях лед становится твердым, как камень, но при этом все равно остается скользким. Доктор Соморджай решил проверить это, направив на очень холодный лед пучки электронов. Теоретически поверхность льда должна быть на 100 % твердой,