Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Цепные реакции. Свободные радикалы. Учение о химической кинетике, о скоростях химических превращений. Сколько замечательных достижений связано с этими разделами химии!
А началось все с традиционных «что» и «почему», в которых детская наивность соперничает с философским глубокомыслием.
Почему из искры возгорается пламя? Что такое горение? Что такое огонь? Что такое взрыв?
Не на все вопросы есть исчерпывающие ответы. Но кое-что о загадочной огненной стихии знает хорошо нынешняя наука.
Что происходило, когда Кавендиш поджигал водородную струйку? Поначалу шла диссоциация. Молекула H2 от жары распадалась на атомы. Осколки получались очень активными. Молекулам O2, поступавшим из окружающего воздуха, суждено было тотчас же пасть жертвами агрессии. На какое-то мгновение возникал неустойчивый комплекс HO2. Впрочем, он тут же разваливался на куски HO2 = О + ОН. Оба только что объявившихся обломка — атомарный кислород и гидроксил — продолжали атаку с той же стремительностью. Однако на этот раз нападению подвергались молекулы того, кто начал агрессию, — водорода: ОН + H2 = H2O + H. Молекула воды выбывала из игры. Новый же атом H шел по стопам своего воинственного предшественника. Бросаясь на молекулу O2, он разбивал ее на ОН и О. Атом кислорода не оставался в долгу и громил молекулу водорода: О + H2 = ОН + H. И так далее. Достаточно было появиться одному-единственному «запальному» атому, как он обрушивал на мирно дремавшую смесь непрерывно нараставшую лавину детонаторов. Начиналась разветвленная цепная реакция. Не будь ее, гремучая смесь не взрывалась бы.
За создание теории цепных процессов академик Семенов удостоен Нобелевской премии.
Но, позвольте, цепные реакции? Так это же взрыв! Совершенно верно. Правда, не ядерный. Химический.
Мало кто знает, что цепные реакции были открыты сначала в химии. Это случилось в 1913 году — за тридцать лет до того, как был запущен первый атомный «котел».
В большой прозрачной бутыли — смесь хлора и водорода. Не спеша течет реакция H2 + Cl2 = 2HCl. В темноте. Но стоит на сосуд упасть солнечному лучу, как происходит взрыв. Даже один-единственный световой квант может сыграть роль запала.
Это долгое время смущало ученых. Закон фотохимической эквивалентности, открытый Эйнштейном, гласил: каждый квант способен вызвать лишь один элементарный акт химического превращения. Не больше. Почему же газы реагировали мгновенно и целиком? Неужто Эйнштейн ошибся?
Поставьте на торец костяшку домино. Рядом другую. За ней третью. И так далее. Теперь толкните крайнюю в этой очереди. Вслед за первой полягут все. Импульс один, а падает целиком вся очередь. То же самое и в смеси H2 с Cl2.
Поглощение светового кванта действительно вызывает один элементарный химический акт. Молекулы хлора диссоциируют на атомы: Cl2 + квант = Cl + Ĉl. (Точкой обозначен возбужденный неспаренный электрон.) Но вслед за тем начинается вереница микрокатастроф: Ĉl + H2 = HCl + Ĥ; Ĥ + Cl2 = HCl + Ĉl; Ĉl + H2 = HCl + Ĥ…
Цепочка стремительно нарастает, перебегая от молекулы к молекуле, захватывая в конце концов весь объем смеси.
Цепная реакция! Разве что неразветвленная. Перед нами именно вереница, а не веер взаимодействий, как при горении водорода в кислороде. Там один атом порождает трех не менее активных отпрысков. А здесь число частиц в каждом колене не возрастает. Коэффициент размножения равен единице. И тем не менее хлор взрывается в смеси с водородом. Но позвольте, разве имеет какое-нибудь, пусть даже самомалейшее, сходство грозная сила всесокрушающего взрыва с робким трепетом крохотного язычка пламени?
Да. Колпачок огня, выросший над газовой горелкой или над фитилем свечи, имеет четкие очертания. Но ведь воронка речного водоворота тоже обладает скульптурной рельефностью формы! И тем не менее в обоих случаях налицо непрерывный поток. Вечно обновляющаяся, хотя и стабильная в своем беспокойном равновесии, динамическая система. Здесь тонкая оболочка пламени почти неподвижна. Зато через нее течет топливо навстречу окислителю.
А бывает и наоборот: топливо и окислитель стоят на месте, движется лишь граница пламени. Если в комнату просочилось изрядное количество водорода, не приведи бог чиркнуть спичкой. Взрыв неминуем. Фронт пламени, распространяясь концентрически, мгновенно обежит весь объем смеси. Его скорость при этом превысит звуковую. Это точно измерили ученые, сумевшие заглянуть в недра огненной стихии.
Разумеется, изучать детонацию в газах, когда кругом дребезжат стекла и рушатся потолки, не так уж здорово. Поэтому взрыв укрощают. Прозрачная трубка заполняется газообразной смесью горючего с окислителем. Если поджечь смесь с одного конца, фронт пламени быстро побежит внутри трубки вдоль ее оси. Но тут начинают продувать газовую смесь в противоположном направлении. Скорость подбирают так, чтобы колышущаяся пленка огня остановилась среди трубки. Перед нами самый обыкновенный огненный язычок! А по сути дела — взрыв, упрятанный в трубку.
Обнаружилось, что химические превращения протекают главным образом в тот миг, когда частицы газа пересекают тонкую наружную оболочку пламени. Он длится ничтожные доли секунды — стотысячные, а то и миллионные. Например, газы, подаваемые в горелку Бунзена со скоростью от 30 до 60 метров в секунду, переходя через границу пламени, достигают скоростей до 900 метров в секунду. Это в два с половиной раза резвее звука! А при взрывах фронт пламени может распространяться со скоростью от 1800 до 2500 метров в секунду.
Как же человек проник в этот быстротекущий огненный круговорот, чтобы раскрыть вековечные тайны Прометеева дара?
Заморозить пламя — на первый взгляд это выглядит парадоксальным. И все же, если внезапно охладить до минус 100 градусов зону, где только что началось горение, удается остановить реакцию в самом ее разгаре. И выходцы из призрачного мира огня потрясли ученых своей необычностью. Чего тут только не нашли! Например, в углеводородном пламени одних перекисей углерода целую компанию: CO3, CO4, даже CO5.
Можно, конечно, обойтись и без вмешательства Деда Мороза. Теоретически удается рассчитать длины волн, которые должны испускаться обломками молекул. Например, CH дает фиолетовое свечение, CC — зеленое.
По характерным линиям в спектре были обнаружены также HCO, OH и другие осколки.
Как видно, мир углеводородного пламени еще более экзотичен, чем просто водородного.
Уж коли формулы-простушки: H2 + Cl2 = 2HCl и 2H2 + O2 = 2H2O на поверку выходят далеко не бесхитростными, можно себе представить, насколько сложнее внутренний механизм такой, к примеру, реакции: 2CnH2n+2 + (3n + 1)O2 = 2nCO2 + (2n + 2)H2O. Это уравнение описывает горение насыщенных углеводородов, скажем, вещества свечи. Вернее, не сам процесс, а его пролог и эпилог.
Как и у любого другого уравнения реакции, здесь в левой части — сумма исходных реагентов. В правой — конечных продуктов. Старт и финиш, как на аэродроме. И
