Глазами Монжа-Бертолле

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 как на командировочном удостоверении штампы убытия и прибытия ничего не говорят о ваших путевых приключениях, так и здесь из уравнений видны лишь состояния в начальной и конечной стадиях. А между ними — дистанция огромного размера! Огромного, хотя вещества и проходят ее порой за ничтожные доли секунды. Сколько промежуточных соединений, сколько побочных процессов заключает в себе этот коротенький временной интервал!

Задача — пробраться за кулисы химического уравнения. На очереди — химия горячая и химия стремительная.

Именно учение о кинетике сосредоточило внимание исследователей на тонкостях химического взаимодействия, которые так долго ускользали из поля зрения ученых.

Без познания сокровенного механизма реакций было бы немыслимо создание ракетных и реактивных топлив и двигателей. Тот же «ТУ-104» не поднялся бы в воздух, не будь теории горения, созданной академиком Семеновым и его школой. В современной химической технологии тоже все большее значение приобретают процессы, идущие с большими скоростями и при высоких температурах.

Реактивный двигатель, во всяком случае прямоточный, — это, по существу, горелка Бунзена, разве что увеличенная до громадных размеров. Воздух нагнетается в смеситель с ураганными скоростями — 60 метров в секунду и выше. Но еще стремительнее (900 метров в секунду) выстреливаются из хвостового сопла выхлопные газы, возникающие при сгорании распыленного топлива. Неравенство давлений на выходе и входе, развивающееся в процессе реакции, толкает самолет, а горелку прижимает к столу. Изучение пламени горелки привело к интересным и важным практическим выводам.

Посмотрите на пламя свечи или лабораторной горелки. У него четкая внутренняя структура. Всегда можно различить темный внутренний конус, бледную поверхностную оболочку и более яркую промежуточную зону. В каждой области образуются свои вещества. Порой такие, которые в обычных условиях получить невозможно. А главное — с огромными скоростями! Если удлинить реакционные зоны пламени, то можно извлекать из них промежуточные продукты.

Допустим, в трубе сжигают смесь газообразных углеводородов. Тогда на одном участке будет возникать этилен, на другом — ацетилен, на третьем — сажа. Все три — ценнейшее химическое сырье. Их можно отсасывать из пламени — достаточно пристроить к камере сгорания трубы с водяным охлаждением.