Физика для всех. Молекулы - Лев Ландау

Итак, самопроизвольный развал молекулы и столкновения молекул - вот две причины химической реакции.

Но реакции могут быть вызваны и другими причинами. Вы с досадой рассматриваете костюм, который побывал с вами на юге. Материал выцвел, выгорел. Под действием солнечных лучей произошло химическое превращение краски, которой был выкрашен материал.

Реакции, происходящие под действием света, называются фотохимическими. Исследователю надо тщательно проводить соответствующие опыты, чтобы не свалить в одну кучу нагревание, происходящее под действием света (оно приводит к увеличению кинетической энергии движения молекул, и удары между ними будут более частыми и более сильными), с непосредственным действием света, которое состоит в том, что частица света - фотон - "рвет" химические связи.

Под действием света происходит цепь химических реакций, протекаемых в зеленых растениях, называемая фотосинтезом. Благодаря фотохимическому превращению, происходящему в растениях, осуществляется тот великий круговорот углерода, без которого не было бы жизни.

Разрыв химических связей, сопровождающийся различными химическими реакциями, могут производить и другие энергичные частицы - электроны, протоны и т. д.

Химическая реакция может идти как с поглощением тепла, так и с выделением тепла. Что это значит на языке молекул? Если встретились две медленные молекулы, а из них образовались две быстрые, то, значит, тепло выделилось. Ведь мы знаем, что увеличение температуры эквивалентно убыстрению молекул. К таким реакциям относятся горение и взрыв, о которых мы поговорим чуть ниже.

Теперь нам надо перевести на язык молекул скорость реакций. Превосходно известно, что есть реакции, которые происходят в мгновение ока (взрыв), а есть реакции, которые протекают годами. Положим, что опять-таки речь идет о таких реакциях, в которых сталкиваются две молекулы, а из них образуются две другие. Следующее предположение похоже на правду. Во-первых существенна та энергия столкновения, которой достаточно для того, чтобы произошел разлом молекул и их перестройка; во-вторых, важно и другое: под любым углом атаки или лишь под некоторыми должны встретиться молекулы, чтобы реакция произошла.

Минимальная энергия, необходимая для того, чтобы реакция прошла, носит название энергии активации. Она играет основную роль в ходе реакции, но все же не нужно забывать и второй фактор - долю "удачных" соударений частиц с данной энергией.

Химическую реакцию, идущую с выделением тепла, можно моделировать картинкой, приведенной на рис. 7.1. Шарик вкатывается на горку, переваливает через барьер и скатывается вниз. Поскольку начальный уровень выше конечного, то энергии потратится меньше, чем выделится.

Рис. 7.1

Эта модель наглядно иллюстрирует причину резкой зависимости скорости реакции от температуры. Если температура мала, то "скорость шара" недостаточна, чтобы забраться на гору. По мере роста температуры все более и более будет расти число шариков, которые будут перемахивать через горку. Скорости химических реакций очень сильно зависят от температуры. Как правило, повышение температуры на 10 градусов увеличивает скорость реакции в 2-4 раза. Если скорость реакции увеличивается, скажем, в 3 раза при повышении температуры на 10 градусов, то повышение температуры на 100 градусов дает увеличение в 310≈60 000 раз, на 200 градусов - уже в 320≈4*109, а на 500 градусов- в З50, т. е. примерно в 1024 раз. Неудивительно, что реакция, которая идет с нормальной скоростью при температуре 500°С, при комнатной температуре не происходит вообще.

Горение и взрыв

Для того чтобы началось горение, надо, как известно, поднести к горючему предмету горящую спичку. Но и спичка не зажигается сама, ею надо чиркнуть о коробку. Таким образом, для того чтобы началась такая химическая реакция, необходимо предварительное нагревание. Поджигание создает в начальный момент необходимую для реакции температуру. Дальше высокую температуру поддерживает уже тепло, которое выделяется при реакции.

Начальный местный подогрев должен быть достаточен для того, чтобы выделение тепла при реакции превышало теплоотдачу в окружающую холодную среду. Поэтому каждая реакция имеет свою, как говорят, температуру воспламенения. Горение начинается, только если начальная температура выше температуры воспламенения. Например, температура воспламенения дерева 610°С; бензина - около 200°С, белого фосфора - 50°С.

Горение дров, угля или нефти - это химическая реакция соединения этих веществ с кислородом воздуха. Поэтому такая реакция идет с поверхности: пока не выгорит внешний слой, следующий не может принять участие в горении. Этим и объясняется относительная медленность горения. В справедливости сказанного нетрудно убедиться на практике. Если размельчать горючее, то скорость горения можно значительно увеличить. Для этой цели во многих печных устройствах производится распыление угля в топках.

Так же размельчается и смешивается с воздухом топливо в цилиндре мотора. Горючим в моторе служит не уголь, а более сложные вещества, например, бензин. Молекула октана, входящего в состав этого вещества (рис. 7.2 слева), состоит из 8 атомов углерода и 18 атомов водорода, соединенных так, как показано на рисунке. При горении эта молекула подвергается ударам кислородных молекул. Встречи с молекулами кислорода разрушают молекулу октана. Силы, соединяющие в молекуле октана один или два атома углерода с атомом водорода, а также силы, соединяющие два атома кислорода в молекулу кислорода, не могут -противостоять более, сильному, как говорят химики, "сродству" между атомами кислорода, с одной стороны, и атомами' углерода и водорода - с другой. Поэтому старые связи между атомами молекул нарушаются, атомы перегруппировываются и создают новые молекулы. Как показывает рис. 7.2 справа, новыми молекулами - продуктами горения - и в этом случае являются углекислый газ и вода. Вода при этом образуется в форме пара,

Рис. 7.2

Совершенно иначе обстоит дело в том случае, когда воздушная атмосфера не нужна, а все необходимое для реакции содержится внутри вещества. Примером такого вещества является смесь водорода с кислородом (ее называют гремучим газом). Реакция идет не с поверхности, а происходит1 внутри вещества. В отличие от случая горения вся энергия, образующаяся при реакции, отдается почти мгновенно, вследствие этого резко повышается давление и происходит взрыв. Гремучий газ не горит, а взрывается.

Итак, взрывчатое вещество должно содержать внутри себя атомы или молекулы, нужные для реакции. Понятно, что можно приготовить взрывающиеся газовые смеси. Существуют и твердые взрывчатые вещества. Они являются взрывчатыми именно потому, что в их состав входят все атомы, необходимые для химической реакции, дающей тепло и свет.

Химическая реакция, происходящая при взрыве,- это реакция распада, расщепления молекулы на части. На рис. 7.3 показана для примера взрывная реакция - расщепление на части молекулы нитроглицерина. Как видно на правой части схемы, из исходной молекулы образуются молекулы углекислого газа, воды, азота. В составе продуктов реакции мы находим обычные продукты горения, но горение произошло без участия молекул кислорода воздуха - все необходимые для горения атомы содержатся внутри молекулы нитроглицерина.

Рис. 7.3

Как распространяется взрыв по взрывчатому веществу, например гремучему газу? Когда поджигают взрывчатое вещество, возникает местный нагрев. Реакция происходит в нагретом объеме. Но при реакции выделяется тепло, которое путем теплопередачи переходит в соседние слои смеси. Этого тепла достаточно для того, чтобы и в соседнем слое произошла реакция. Вновь выделившееся тепло поступит в следующие слои гремучего газа, и так со скоростью, связанной с передачей тепла, реакция распространяется по всему веществу. Скорость такой передачи - порядка 20-30 м/с. Разумеется, это очень быстро. Метровая трубка с газом взрывается за 1/20 с, т. е. почти мгновенно, в то время как скорость горения дров или кусков углей, происходящего с поверхности, а не в объеме, измеряется сантиметрами в минуту, т. е. в несколько тысяч раз меньше.

Тем не менее можно назвать и этот взрыв медленным, так как возможен другой взрыв, в сотни раз более быстрый, чем описанный.

Быстрый взрыв вызывается ударной волной. Если в каком-либо слое вещества резко повышается давление, то от этого места начнет распространяться фронт повышенного давления. В этом случае и говорят об ударной волне. Эта волна приводит к значительному скачку температуры, который передается от слоя к слою. Повышение температуры дает начало взрывной реакции, а взрыв приводит к повышению давления и поддерживает ударную волну, интенсивность которой иначе быстро падала бы по мере ее распространения. Таким образом, ударная волна вызывает взрыв, а взрыв в свою очередь поддерживает ударную волну.