Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Число молекул огромно. Не сто, не тысяча, не миллион. Даже в колбе их миллиарды миллиардов. Именно это позволяет применять к системам из такого большого числа частиц теорию случайных процессов. Заметные отклонения от статистического среднего значения здесь настолько несущественны, что выводы теории вероятностей обретают силу закона. Например, можно точно рассчитать, какая доля молекул обладает наиболее вероятной скоростью и насколько другие отклоняются от этого значения. Куда точнее, чем случайное распределение величин в условиях того же самолета.
А это очень важно для математических расчетов скорости реакций.
Скорость реакции… Минули столетия, прежде чем позеленела и рассыпалась в прах бронза старинных мечей. А геохимические процессы тянутся миллионы лет. Зато взрывы настолько кратковременны, что глазом не успеешь моргнуть, как они уже закончились. От того, сколько дней будет затвердевать цемент, зависит срок пуска сооружений. Когда жизнь человека висит на волоске, вся надежда порой на скорость действия медицинского препарата.
Быстрота химического превращения веществ — едва ли не самая главная характеристика любого технологического процесса.
Кому нужен огромный реактор, выдающий продукцию в час по чайной ложке? С другой стороны, если процесс начинает спешить, превышая дозволенный предел, нависает угроза аварии. Вот почему так важно знать, с какой скоростью протекает реакция и как добиться желанного технологического режима.
Скорость химического превращения, мы уже знаем, зависит от концентрации реагентов.
Чтобы частицы прореагировали, они должны сблизиться. Для газовой смеси это не проблема. Там за секунду происходят десятки миллиардов столкновений. Продолжительность каждого соприкосновения ничтожно мала. Но период обращения электрона вокруг атомного ядра еще меньше. Он относится к промежутку между соударениями, как день к столетию. Так что есть время дождаться, пока юркий электрон соблаговолит перескочить с атома на атом, чтобы образовать валентную связь. Поляризуемость молекул еще больше удлиняет время контакта, пребывания одной частицы в электрическом поле соседней.
Разумеется, не всякое сближение приводит к заключению химического союза. Однако чем чаще столкновения, тем выше вероятность взаимодействий. Ведь в более густой толпе толкучка сильнее.
По мере того как образуется новое соединение, толпа молекул зачастую редеет. Например, после каждого элементарного акта взаимодействия 2H2 + O2 = 2H2O вместо трех молекул образуются две. А в реакции N2 + 3H2 = 2NH3 две из четырех. Чтобы повысить концентрации реагирующих веществ и увеличить выход продукта, приходится прибегать к повышенному давлению. Равновесие тотчас же смещается так, чтобы ослабить внешнее воздействие: концентрация исходных веществ падает, зато конечного продукта прибавляется.
Однако если бы скорость химического превращения зависела лишь от концентрации реагентов, на Земле начались бы довольно странные вещи. Представьте себе, что вдруг ни с того ни с сего вспыхнула книга, которую вы читаете. Или стул, на котором вы сидите. Расческа, которая лежит у вас в кармане. Этого не происходит. Даже бензин преспокойно стоит в бачке, не угрожая пожаром. Между тем, казалось бы, созданы все условия для реакции: кислорода предостаточно, а бумаге, дереву, целлулоиду, бензину горючести не занимать. Но нет, недаром книжка Рея Брэдбери называется «451° по Фаренгейту» (примерно 230 градусов по Цельсию). Лишь при такой температуре воспламеняется бумага.
Разумеется, и при нормальных условиях молекулы кислорода сталкиваются с молекулами топлива, скажем бензина. И отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. Взаимодействия не происходит. Картина изменится, если поднести спичку (подобный опыт, конечно, следует проводить чисто умозрительно). Тепло ускорит движение молекул, увеличит их энергию. И только перешагнув через определенный энергетический барьер, молекулы смогут вступить в химическое взаимодействие.
Энергия активации не обязательно должна подводиться в виде тепла (инфракрасного излучения). Смесь водорода с хлором взрывается, если на нее направить солнечный свет.
Действие катализатора именно в том и заключается, что он понижает энергию активации, облегчая молекулам путь к химическому союзу. Понижает раза в два-три. А ферменты — органические катализаторы — даже в четыре-пять раз! Понятно, почему в клетках нашего тела сахар сгорает при температуре менее 40 градусов. Катализатор способен ускорить процесс в миллионы раз!
Важная и интересная деталь: катализатор сам по себе не увеличивает выход продукта. Ибо он не смещает равновесия, как давление или нагревание. Он просто ускоряет его наступление. Это немного странно на первый взгляд. Но факт неоспорим.
Вот наша реакция N2 + 3H2 = 2NH3. Аммиак образуется и при комнатной температуре. Ведь какая-то, правда небольшая, часть молекул азота и водорода всегда имеет энергию иную, чем наиболее вероятная. Статистический «разброс» приводит к тому, что некоторые молекулы реакционноспособны. Взаимодействие начинается. Но пока наступит равновесие, придется ждать несколько тысячелетий. Если же внести катализатор, равновесное состояние установится во много раз быстрее. Однако количество аммиака будет тем же, что и через тысячи лет.
Казалось бы, выход аммиака можно повысить нагреванием. Ничуть не бывало! Как раз наоборот: чем выше температура, тем сильнее сдвинуто равновесие в сторону разложения аммиака. Это объясняется просто: при реакции выделяется тепло. А равновесные системы как бы стараются погасить, ослабить внешнее воздействие по мере собственных сил и возможностей. Уже говорилось, что увеличение давления сдвигает равновесие N2 + 3H2↔2NH3 вправо. Ибо тогда суммарное количество молекул убывает, и давление в системе падает. Нагревание же, напротив, привносит тепловую энергию в дополнение к той, которая выделяется в процессе реакции. Чтобы как-то скомпенсировать внешнее «возмущение», система перестраивается. Реакция начинает течь вспять, поглощая тепло. Тогда, быть может, стоит посильней охладить смесь? Опять нет! Понижение температуры сильно уменьшит скорость превращения азота и водорода в аммиак. Придется ждать богатого выхода тысячелетиями. Нет уж, лучше подобрать такие условия, когда скорость превращения окажется достаточно высокой, а выход продукта не слишком низким. Такой режим в математике называется оптимальным.
Не все системы в химии характеризуются подобным приспособленчеством.
Бывает, что они возмущенно реагируют на внешнее «раздражение» бурным противодействием. Например, горючая смесь в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Иногда она во время такта сжатия взрывается. Приходится усмирять бензин антидетонационными добавками.
Горение и взрыв — пожалуй, самые непокорные среди реакций. Но их неповторимое своеобразие, а главное, их огромное научное и техническое значение притягивают к себе ученых, словно магнитом.
Огонь… Ослепительное и жаркое чудо природы с незапамятных времен будоражило человеческое воображение. «Молодое электричество мы знаем лучше, чем древний огонь». Эти слова принадлежат создателю современной теории горения академику Николаю Николаевичу Семенову.
Лишь в самые последние десятилетия ученым удалось
