Полуостров воспламенения для смеси водорода и кислорода.
Два типа лавин по Семёнову.
вместо одного атома водорода возникают три свободных радикала (два атома водорода и гидроксил). Число активных центров стремительно нарастает — цепи разветвляются, и, если скорость обрыва цепей недостаточно велика, реакция очень быстро переходит во взрывной режим (при небольшом давлении наблюдается только вспышка). Такие реакции, идущие с увеличением числа активных частиц, назвали разветвлённо-цепными. По своему характеру они весьма напоминают явления, не имеющие никакого отношения к химии, например... распространение сплетен.
Оба учёных дали объяснение и необычным характеристикам разветвлённо-цепных реакций. При низких давлениях большинство активных частиц, не успев столкнуться с молекулами реагентов и «размножиться», долетают до стенки реакционного сосуда и «погибают» на них — цепи обрываются. Чем меньше диаметр колбы, тем больше у радикалов шансов достичь её стенок. Вот откуда зависимость от размеров сосуда! С повышением концентрации (давления) шансов столкнуться с молекулами реагентов для радикалов становится больше — возникает лавина реакций. Поэтому существует нижний предел по давлению. Молекулы инертного газа, по образному выражению Семёнова, «путаясь в ногах» у активной частицы, замедляют её движение к стенке — вот секрет удивительного влияния аргона на величину критического давления.
Когда же достигается верхний предел по давлению, цепи снова обрываются быстрее, чем происходит их разветвление. Однако причина обрыва здесь иная: активные радикалы исчезают из-за «взаимного уничтожения» — рекомбинации в объёме сосуда (скорость этой реакции очень быстро увеличивается с ростом давления).
Вскоре Боденштейн написал Семёнову, что, как ни удивительны его результаты, больше нельзя в них сомневаться, — и предложил в дальнейшем печататься в его «Журнале
ЧТО ОБЩЕГО
У ГОРЕНИЯ ВОДОРОДА
И АТОМНОЙ БОМБЫ
Широкой публике понятие «цепная реакция» стало известно в 1945 г. в связи с работами физиков по получению ядерной энергии, после взрыва первых атомных бомб. Оказалось, что деление урана, плутония, других расщепляющихся материалов подчиняется тем же закономерностям, что и разветвлённо-цепные химические реакции.
На занятиях студентам часто показывают взрывы смесей водорода с хлором или кислородом. А как можно продемонстрировать разветвлённо-цепную реакцию деления урана? Эта реакция вызывается активными частицами — нейтронами, которые расщепляют ядра урана с выделением огромной энергии. Разветвление цепи происходит за счёт того, что при распаде ядра выделяются несколько нейтронов, способных к расщеплению новых ядер.
Остроумную модель «атомной бомбы из мышеловок» построили на кафедре физики Московского энергетического института. Аля этого взяли полсотни мышеловок, изображавших атомы. Роль нейтронов в них выполняли «приманки» в виде медных шайб, один из краёв которых был срезан. Мышеловки располагали поблизости друг от друга и на каждую после взвода пружины клали по два «нейтрона». Если бросить шайбу на одну из мышеловок, она срабатывает, подбрасывая два «нейтрона». Те, в свою очередь, могут разрядить ещё две мышеловки, высвобождая уже четыре «нейтрона». Так наглядно моделируется размножение активных частиц в ходе ядерного взрыва.
Остаётся объяснить, почему для «нейтронов» была выбрана столь необычная форма шайб. Ответ прост: круглые (без среза) шайбы при «ядерном взрыве», как правило, закатывались в труднодоступные места, и после завершения опыта приходилось их долго искать...
«И КАК БОМБА РАЗРЫВАЯСЬ...»
Клевета вначале сладко,
ветерочком чуть порхает,
и, как будто бы украдкой,
слух людской едва ласкает,
и журчит, как ручеёк...
Всё сильнее с каждым часом
возникает толкованье,
вот гремит уж общим гласом,
стало общим клеветанье;
вот, как буря, разразилось,
загремело, покатилось
неудержною волной.
Гул сильней всё нарастает,
в ужасе трепещут люди...
И, как бомба разрываясь,
и, как бомба разрываясь,
клевета всё потрясает,
и колеблет мир земной.
Этот фрагмент арии Дона Базилио из оперы Дж. Россини «Севильский цирюльник» может служить прекрасной иллюстрацией к особенностям разветвлённых цепных процессов: «взрывом бомбы» заканчивается цепная реакция распространения сплетен в городе.
А вот какое сравнение нашёл для скорости цепного процесса замечательный популяризатор науки Яков Исидорович Перельман в книге «Живая математика»: «В небольшой городок с 50-тысячным населением приехал в восемь часов утра житель столицы и
привёз свежую, всем интересную новость. В доме, где приезжий остановился, он сообщил новость только трём местным жителям; это заняло, скажем, четверть часа... Если слух распространяется по городу и далее таким же способом... то ранее чем в половине одиннадцатого дня поголовно все жители города будут осведомлены о новости, которая в восемь часов утра известна была только одному человеку».
Если учесть, что для реакции каждой активной частицы с молекулой исходного вещества требуется не четверть часа, а миллиардные доли секунды (при атмосферном давлении), то легко понять, почему разветвлённо-цепные реакции при больших концентрациях (давлениях) реагентов приводят к взрывам.
Важно отметить, что лавина разветвлённо-цепной реакции быстро заканчивается: спустя доли секунды после её начала для продолжения реакции уже не хватает исходных веществ — все они превратились в продукты реакции. И здесь наблюдаем известную аналогию: так же, как слухи и сплетни, быстро распространяются, но и быстро заканчиваются разнообразные «разветвлённо-цепные» финансовые пирамиды (типа знаменитых «Властелины», «МММ», «писем счастья»), различные «заманчивые» предложения за 100 рублей заработать 100 тыс. и т. п. На первый взгляд всё выглядит честно: покупатель оплачивает, например, только пятую часть стоимости автомобиля, а остальные деньги вносят привлечённые им новые покупатели — числом четыре. Те для оправдания затрат и получения машины должны в свою очередь найти ещё четырёх потенциальных покупателей и т. л. Подобные финансовые аферы, писал Перельман, ещё в XIX в. были в ходу в разных странах; во Франции их называли снежным комом, у нас — лавиной. Действительно, для продолжения «коммерции» вскоре попросту перестаёт хватать новых покупателей. По словам Перельмана, «фирма устройством лавины... принуждает 4/5 населения оплачивать товар, приобретаемый остальною 1/5 частью населения; иными словами — заставляет четырёх граждан облагодетельствовать пятого».
физической химии». А в 1956 г. Н. Н. Семёнов и С. Хиншелвуд получили Нобелевскую премию «за исследования механизма химических реакций». Это был первый (и пока единственный) случай присуждения Нобелевской премии по химии российскому учёному...
Наличие верхнего и нижнего пределов по давлению означает, что смеси кислорода с водородом, метаном, другими горючими газами взрываются лишь при их определённых соотношениях. Например, смесь водорода с воздухом взрывоопасна, когда содержит от 4 до 75 % водорода, а
смесь метана с воздухом — при содержании метана от 5 до 15%. Вот почему так опасны утечки газа! Если метана в воздухе окажется больше 5%, взрыв может наступить даже от крошечной искры в выключателе.
ВОЗРОЖДЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Высказанное Боденштейном и другими химиками предположение об энергетических цепях не получило экспериментального подтверждения
и было на многие десятилетия забыто. Но вот в 1963 г. советские учёные В. И. Веденеев, А. М. Чайкин и А Е. Шилов обнаружили, что энергетические разветвления возможны в реакциях фторирования ряда соединений.
Для примера рассмотрим реакцию фтора с водородом. В ней на стадии продолжения цепи Н•+F2®HF*+F• выделяется так много энергии, что образующаяся «горячая» молекула HF* способна вызвать разветвление цепи. Переносчиком энергии при этом является молекула водорода. Механизм реакции таков:
Подобное энергетическое разветвление цепи позволило создать химический фторводородный лазер, в нём источником возбуждённых молекул служит энергия химической реакции.
В заключение приведём слова, сказанные академиком Н. Н. Семёновым при вручении ему Нобелевской премии 11 декабря 1956 г.: «Эти работы явились результатом упорного труда большого и дружного коллектива сотрудников, многие из которых являются в настоящее время крупными учёными, руководителями отдельных направлений. Несомненно, что именно благодаря коллективности нашего труда, благодаря постоянной взаимной поддержке и в то же время личной инициативе ряда членов нашего коллектива нам удалось достичь тех результатов, которые удостоены здесь такой высокой оценки. В создании этих работ, особенно в период становления новых идей, большую роль играли плодотворные научные дискуссии и дружественное соревнование с зарубежными учёными, главным образом с сэром Сирилом Хиншелвудом. Мы на своём опыте могли убедиться, что лишь объединёнными усилиями учёных разных стран создаются условия для действительно успешного продвижения науки вперёд».