Časopis Quark
http://www.quark.sk

Hydrotermálne deje v laboratóriách a v prírode

Tzv. biely fajčiar (white smoker) neďaleko jednej z podmorských sopiek vo Filipínskom mori je príkladom hydrotermálnych, resp. geotermálnych premien v prírode, foto wikipédia/NOAA.

Chemické reakcie vo vodných roztokoch pri vysokých tlakoch a teplotách – hydrotermálne syntézy, využívajú chemici na prípravu mnohých látok. Tieto reakcie však prebiehajú i v prírode, napríklad v blízkosti podmorských sopiek, a vďaka nim vznikli aj mnohé ložiská rúd.

V predstavách väčšiny z nás sú chemici tí, ktorí na svoje reakcie využívajú najmä rôzne sklené nádoby, ako sú skúmavky alebo banky. Z komunity týchto bežných chemikov sa vyčleňuje skupina pracujúca skôr s náradím typickým pre strojárske pracoviská. Svoje experimenty totiž uskutočňujú v uzavretých hrubostenných kovových nádobách (autoklávoch). Prebiehajú v nich tzv. hydrotermálne, resp. solvotermálne syntézy.

Výnimočnosť hydrotermálnych syntéz

Hydrotermálne syntézy sú metódy, ktoré využívajú na prípravu látok reakcie pri vysokých tlakoch a teplotách. Tlak a teplota však zvyčajne nie sú nezávislé, pretože tlak v uvedených nádobách je vyvolaný tlakom pár vody. Ten sa so zvyšovaním teploty zvyšuje. Hydrotermálne syntézy sú iba jednou skupinou z veľkého súboru metód nazývaných solvotermálne syntézy. Tie využívajú aj iné kvapaliny ako vodu. Hydrotermálne syntézy však majú v rámci solvotermálnych metód výnimočné postavenie. Súvisí to s tým, že voda je na rozdiel od mnohých iných kvapalín tepelne veľmi stabilnou látkou, čo znamená, že pri vysokých teplotách sa nerozkladá. Druhý dôvod spočíva v niektorých unikátnych vlastnostiach vody (písalo sa o nich v Quarku 01/2018 v článku Záhadné skupenstvo vody).

Tlakové hrnce sú v bežnom živote najrozšírenejšími nádobami určenými na hydrotermálne premeny látok. Výrazne urýchľujú fyzikálno-chemickú premenu potravín v dôsledku vyššej teploty, ktorá presahuje teplotu varu pri atmosférickom tlaku.

Prečo vysoký tlak i teplota?

Hlavný dôvod je ten, že takéto podmienky výrazne zvyšujú rýchlosť chemických reakcií. Horná hranica teplôt vo vodných roztokoch pri vysokých tlakoch nie je obmedzená teplotou pohybujúcou sa okolo 100 °C tak ako v bežných laboratórnych podmienkach. V špeciálnych tlakových nádobách možno reakčný roztok zohriať aj nad teplotu kritického bodu roztoku, ktorý je zvyčajne o niečo vyšší ako pri čistej vode (374,14 °C). Výrazný nárast reakčných rýchlostí je však potrebné bližšie objasniť: ide totiž o mnohoporiadkové zvýšenie rýchlosti, čo znamená, že takéto reakcie za bežných laboratórnych podmienok neprebiehajú. Na ilustráciu možno uviesť, že kadička z bežného laboratórneho skla, ktorá je proti vode chemicky veľmi odolná, sa v autokláve pri teplote 250 °C rozpadne na prach v priebehu niekoľkých hodín.

Využitie v praxi

Laboratórna tlaková nádoba spolu s regulátorom ohrevu určená na hydrotermálne a solvotermálne syntézy látok. Možno v nej dosiahnuť tlaky a teploty, ktoré sú neporovnateľne vyššie ako v kuchynskom tlakovom hrnci.

Použitie takýchto syntéz sleduje dva hlavné ciele. Prvým je príprava látok v ich modifikovanej forme, teda takých látok, ktorých chemická podstata zostáva rovnaká. Hlavným dejom je v tomto prípade rekryštalizácia (opätovná kryštalizácia). Takto sa pripravujú napríklad práškové látky s rovnomerne veľkými kryštálmi alebo látky vo forme monokryštálov. Druhým cieľom je príprava nových látok, teda takých, ktoré vznikajú v dôsledku jednej alebo viacerých chemických reakcií. Hydrotermálne syntézy sa však často využívajú aj na prípravu takých látok, ktoré už dávno poznáme z neorganickej prírody, napríklad umelé minerály zo skupín prvkov, oxidov, uhličitanov, volfrámanov a kremičitanov (silikátov). Dôvody na ich prípravu môžu byť rôzne. Zväčša je to potreba získať ich vo forme vyhovujúcej určitej aplikácii. Navyše, je to nevyhnutnosť získať ich v omnoho vyššej čistote a homogenite. Ďalším dôvodom môže byť snaha o vyriešenie nejakého vedeckého problému súvisiaceho napríklad s objasnením štruktúry minerálov alebo s dejmi odohrávajúcimi sa v prírode. Často sa hydrotermálne metódy používajú na prípravu monokryštálov kremeňa a korundu pre elektrotechnický priemysel. Prvýkrát sa o komerčné využitie týchto syntéz na získanie monokryštálov kremeňa zaujímali spoločnosti Bell Laboratories (v roku 1951) a spoločnosť Western Electrics (v roku 1959). Zaujímavá je aj priemyselná výroba niektorých umelých drahokamov, ktorá je náhradou vysokoteplotných syntéz vo vodíkovo-kyslíkovom horáku. Táto metóda tzv. plameňovej fúzie vyžaduje napríklad pri získavaní rubínov a zafírov (odrody korundu) taviť oxid hlinitý s rôznymi aditívami pri teplote 2 200 °C. Za hydrotermálnych podmienok ich však možno pripraviť už pri teplote približne 400 °C.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 02/2018.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

prof. Ing. Karol Jesenák, CSc.
Katedra anorganickej chémie
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave
Neoznačené foto autor

Komentáre