Глазами Монжа-Бертолле

В путешествии по институтским закоулкам, по лабиринтам графиков, по маршрутам своих планов меня сопровождал молодой математик Виктор Кудрин.

Математический анализ применительно к структурам химических веществ. Квантово-механические расчеты электронных состояний на поверхности кристаллов. Оптимизация технологических процессов в химическом производстве. Проектирование контактных аппаратов с помощью электронных машин. Абстрактные на первый взгляд, но на деле очень важные для науки и техники проблемы на стыке химии и математики.

Лаборатория химических проблем в математическом институте… Если бы все это видел Николай Семенович Курнаков! Он бы не нарадовался, глядя на племя современных Монжей, у которых свежесть взгляда и непредвзятость мышления, этот бесценный дар невозвратной юности, соперничает с деловитой уверенностью профессионалов, имеющих за плечами опыт и мудрость великих предшественников. А рядом, в четверти часа ходьбы по асфальтированной дорожке, вьющейся между стволами сибирских сосен, уже вздымались современные корпуса химических институтов, где — хотите верьте, хотите нет — я собственными глазами увидел молодых Бертолле, несущих курнаковскую эстафету. И вот что примечательно: даже привычному уху трудно отличить по манере разговаривать математиков, работающих в области химии, от химиков, работающих в области математики, — настолько общий у них язык, настолько крепко поднаторели они в методах и терминологии обеих наук.

До поры до времени «дела пробирные» обходились карандашом и клочком бумаги. Так было в эпоху Бертолле, так случалось и во времена Курнакова. А нынче химики запанибрата с мощной электронно-счетной техникой: не тот век, чтобы кичиться убожеством стародедовских способов, прикрываясь флагом традиционной скромности химиков в выборе технических средств.

Когда мы произносим слова «большая химия», перед глазами встают многозначные цифры планов, многошумные новостройки в «огнях и звонах», многоэтажные и многотрубные гиганты индустрии. Между тем история любого химического завода с его грохочущими машинами и клокочущими котлами начинается в тиши исследовательской лаборатории. Да, большая химия начинается с маленькой пробирки. Пробирка, над которой колдует экспериментатор, — это заводской аппарат в миниатюре. Именно здесь, в едва слышном бульканье реакционной смеси, чуткому уху слышится могучий ритм шумного и жаркого дыхания воздуходувок, печей, колонн, скрубберов, газгольдеров, труб, где непрерывно перемещаются многотонные массы жидкостей, многокубовые объемы газов.

Не только в химии крупномасштабному воплощению инженерного замысла предшествуют опыты с крошечными моделями. Сколько наблюдений над игрушечной копией «ТУ-104» было проделано в аэродинамических трубах, прежде чем дюзы могучего исполина огласили аэродромы зычным уверенным гулом!

Как же конструкторы переходят от одних масштабов к другим?

Чтобы превратить лилипута в Гулливера, обычно используется теория подобия. Результаты экспериментов с карликовой моделью пересчитывают по определенным уравнениям для всамделишного гиганта. Это очень эффективный метод, давно и хорошо зарекомендовавший себя в авиации, гидравлике, теплотехнике.

Увы, не в химии! Здесь при переходе к другим масштабам характер процессов, как правило, изменяется. Но отчего? Разве синтез того же аммиака в заводском аппарате описывается другим уравнением, нежели в лабораторной установке? Нет, и стехиометрия и характер равновесия остаются теми же самыми. Тогда, может статься, дают о себе знать какие-нибудь неучтенные тонкости процесса?

Что ж, давайте разберемся во всем по порядку.

Огонь, порождающий своего заклятого недруга — воду. Такому мог удивиться разве что Генри Кавендиш, который впервые наблюдал горение водорода в кислороде. А сегодня любой школьник запросто напишет незамысловатую реакцию: 2H2 + O2 = 2H2O. Простенькое уравнение, не так ли? Два объема водорода, один кислорода, и в итоге — два объема водяных паров. Берешь два исходных вещества, получаешь один конечный продукт.

Уравнение одно, но почему такие странные различия? В опытах Кавендиша над трубкой, из которой выходил водород, теплился едва заметный язычок пламени. Зато, если взять те же количества водорода и кислорода, но тщательно перемешать, получится гремучий газ. Если его поджечь, он взорвется.

Масштаб один — эффекты разные.

В годы первой мировой войны немецкое командование для бомбардировки Лондона и Парижа построило 123 дирижабля. Из них 40 было уничтожено противником. Стоило зажигательному снаряду угодить в оболочку воздушного пирата, как цеппелин, мгновенно вспыхнув, исчезал в огне и дыме. Оно и понятно: дирижабли заполнялись водородом. Небесное «аутодафе» не всегда сопровождалось взрывом: оболочка препятствовала перемешиванию водорода с воздухом. И, как в опыте Кавендиша, водород воспламенялся, но не взрывался.

Масштабы разные — эффект один.

При комнатной температуре гремучая смесь — в маленьком ли баллончике, в громадном ли резервуаре — сохраняет спокойствие. Даже при нагревании до 300 градусов скорость реакции неизмеримо мала. Однако при переходе за черту в 600 градусов (температура тлеющего уголька) взаимодействие протекает мгновенно. Смесь взрывается.

Описанные примеры помогут нам сделать кое-какие выводы. Если условия одинаковы, то скорость процесса почти не зависит от его масштабов. И еще: на скорость химического процесса сильно влияет тепло. Опытным путем установлено приближенное правило: нагревание на 10 градусов ускоряет ход реакции в два-четыре раза. Так что если у вас повышенная температура, лекарства будут помогать вам скорее.

Однако непонятно другое. Стоит внести в огромный объем горючей смеси даже тлеющий окурок, как из искры возгорится пламя. Почему? Каким образом маленькая спичка вызывает большой пожар? У крохотного факела температура 600–800 градусов. Но все равно этого далеко не достаточно, чтобы прогреть насквозь внутренности цеппелина или обыкновенного полена до температуры реакции. А языки пламени ненасытны, их не уймешь, пока они не слижут дотла остатки своей добычи. И это еще не все вопросы.

Возьмите кусочек рафинада и попробуйте поджечь его. Сахар оплавится, обуглится, но не воспламенится. А теперь посыпьте его золой из пепельницы. И вторично поднесите зажженную спичку. Сахар вспыхнет ровным голубоватым пламенем. Что случилось?

Зола сама по себе негорюча. Ведь это же минеральные соли! Если провести химический анализ, то в остатке от преданного огню кусочка рафинада вы обнаружите то же количество золы, взятой из пепельницы, что и до опыта. Очевидно, зола сыграла роль катализатора. Выходит, не только от тепла зависит скорость реакции!

И все же сахар можно поджечь спичкой без катализатора.

Те, кому довелось бывать на сахарных заводах, помнят, должно быть, таблички «Не курить!» даже там, где нет и в помине чего-нибудь легковоспламеняющегося. Оказывается, остерегаться следует… сахара. Правда, не кускового. Опасным врагом он становится лишь в виде пылинок, витающих в воздухе.

Обмерьте кусочек пиленого сахара. Общая площадь его граней невелика — в лучшем случае, с большую почтовую марку. Но разотрите кусочек в тонкую пудру — и суммарная поверхность частиц может достигнуть размеров футбольного поля. Между тем количество вещества осталось прежним! Если распылить порошок в воздухе, крупинки хорошо перемешаются с окислителем (кислородом). И сахар, который в компактной массе загорается с таким трудом, внезапно обретает силу динамита.

А посмотрите-ка на формулу горения сахара: С6Н12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O. Она скромно умалчивает о химических перипетиях, в которых могут участвовать молекулы сахара. Ибо уравнение реакции отражает лишь перераспределение химических связей между атомами. А нас интересует сейчас, как протекает химический процесс от начала до конца.