Цепные реакции. 
Химия

Мнение о высокой химической активности водорода Н₂ связано с взрывоподобными опытами с кислородом (гремучий газ) или хлором. Крайне быстрое прохождение этих реакций объясняется их цепным характером. Если в ценной реакции в результате одной реакции возникает одна-две активные частицы, которые реагируют с молекулами исходных веществ, давая новые активные частицы и продукты реакции, такая реакция называется редкоразветвленной (рис. 3.8, а). Если на каждой стадии образуется две активные частиц, реакцию считают сильноразветвленной (рис. 3.8, б).

Из-за лавинообразного роста числа активных частиц скорость цепной химической реакции крайне быстро возрастает до того мо;

Рис. 3.8. Цепные реакции:

а — редкоразветвлеиная; б — сильноразветвлеиная мента, когда из-за снижения концентраций реагирующих веществ скорость реакции начнет уменьшаться.

Когда к горлу стеклянного сосуда (обмотанного тканью для предохранения от осколков в случае взрыва) со смесью водорода и кислорода подносят пламя спички, раскаленную проволоку или вносится катализатор (платина или др.), молекулы преимущественно одного из газов распадаются на атомы, что определяется энтальпиями реакции

или энергиями их связи Д#_св (для Н._; АЯ_(В = 432 кДж/моль, для 0₂ Д#_си = 494 кДж/моль).

Энергия связи молекулы водорода меньше энергии связи молекулы кислорода, и молекулы водорода распадаются на атомы, что обусловливает зарождение цепи последующих реакций:

Образовавшиеся атомы водорода реагируют с молекулами кислорода:

Зарождению цепи в газовых системах способствует световое облучение. Чем короче длина волны света, тем большей энергией обладают кванты света и, следовательно, тем более сильное воздействие оказывают они на различные объекты и процессы с ними. Большая энергия ультрафиолетового света разрывает химические связи в молекулах. Образовавшиеся неустойчивые активные молекулы ОН и атомы II также реакционноспособны и наряду с атомами Н принимают участие в реакциях продолжения цепи:

Образование в стадиях зарождения и продолжения цени двух активных частиц приводит к скачкообразному, самоускоряющемуся, лавиноообразному процессу, взрыву. В реакции образуются молекулы пероксида водорода Н₂0₂, а среди промежуточных продуктов встречаются такие молекулы, как Н0₂, Н0₃, Н0₄, Н₂О_э, Н₂0₄ и др.

При высоких давлениях, когда появляется возможность передачи избытка энергии от образовавшейся частицы другой частице М, образуются неустойчивая молекула Н0₂ и частица М*:

Символом «*» обозначена частица с избытком энергии. Эта реакция трехмолекульная и одновременно третьего порядка.

Молекула пероксида водорода образуется в нескольких реакциях, в том числе

Обрыв цепи происходит при столкновении активных частиц со стенкой сосуда или с другими молекулами, которым активная частица отдает свою энергию. Цепная реакция заканчивается, когда исходные вещества почти полностью прореагировали и концентраций их недостаточно для поддержания процесса.

Хотя в реакционной системе имеются атомы водорода и кислорода, прямого взаимодействия между атомами с образованием молекул воды

не обнаружено. Объяснений этого явления несколько. Концентрации атомов водорода и кислорода незначительны. Одновременное столкновение трех частиц крайне маловероятно. Если бы даже образовывалась молекула воды, то, обладая высокой энергией и став энергетически неустойчивой, она сразу же распалась на исходные атомы (или другие частицы, например ОН).

Реакция образования воды из простых веществ.

также не обнаружена. (В-3−20. Почему?).

Вода образуется в реакции между атомами водорода с молекулами кислорода или между атомами кислорода и молекулами водорода:

Молекулы водорода и кислорода реагируют с образованием ОН:

Образование молекул ОН можно представить процессом возникновения комплекса Н₂0₂, котрый распадается на две молекулы ОН (рис. 3.9). Образование комплекса Н₂0₂ возможно при строго.

Рис. 3.9. Воображаемая схема реакции между молекулами водорода и кислорода с образованием молекул ОН (В-3−21. Почему реакция по этому механизму пе проходит?) определенной ориентации взаимодействующих молекул водорода и кислорода, что крайне маловероятно.

Среди реакций нет ни одной реакции, в которой образовалась бы одна частица, например

Это объясняется тем, что образовавшаяся одна частица должна нести очень большую избыточную энергию. Кроме того, исходя из геометрических представлений о характере связей, нельзя расположить в пространстве молекулу водорода и атом кислорода, чтобы в одну стадию произошло перераспределение электронов и образование новых связей.

Мы подробно остановились на реакции между водородом и кислородом, потому что многие из промежуточных реакций протекают в верхних слоях атмосферы.

Скорость цепных реакций зависит от давления. При низких давлениях столкновения молекул редки, и активные частицы, не успев прореагировать, отдают свою энергию стенкам сосуда или примесям. С повышением давления скорость реакции повышается до определенного предела, но дальнейшее повышение давления приводит к резкому замедлению процесса. Это объясняется тем, что при высоких давлениях повышается вероятность столкновения частиц с молекулами продуктов, со стенками сосуда и с молекулами примесей, которые отбирают у активных молекул энергию.

Свет, особенно ультрафиолетовый, обладающий высокой энергией, вызывает зарождение цепи. Смесь водорода и хлора взрывается даже при освещении обычным светом. В ценной фотохимической реакции один поглощенный фотон вызывает превращение сотен тысяч молекул, хотя, но закону Эйнштейна при поглощении одного фотона должна прореагировать лишь одна частица. В цепном процессе закон Эйнштейна не нарушается, так как он относится к элементарной реакции, а не ко всему процессу в целом.

В узком сосуде, в трубке с малым диаметром, в металлической сетке, среди мелких кристаллов цепные реакции не проходят, так как происходит обрыв цепи, не дав ценной реакции развиться.

Смесь газообразного бензина и воздуха сгорает в цилиндре автомобильного двигателя, но ценному механизму. Крайне высокая скорость цепной реакции приводит к детонации и разрушению частей двигателя. (В-З-22. Почему детонацию нельзя использовать для работы двгателя?).

Кинетическим закономерностям ценных реакций подчиняются многие взрывные природные или разработанные человеком процессы. По механизму ценной реакции развиваются распад ядер в атомной бомбе и нерегулируемое прохождение ядерной реакции в реакторе (авария!). Деление атомных ядер урана-235, урана-233 или плутония-239 под действием нейтронов относится к цепным процессам.

Нейтроны высвобождаются при самопроизвольном делении нестабильных ядер, и каждый нейтрон может вызвать деление еще одного ядра с одновременным образованием в среднем более чем одного нейтрона. При достаточно высокой плотности вещества число делений ядер и число нейтронов будут лавинообразно возрастать (атомная бомба). Если этот процесс затормозить, уменьшив концентрацию делящихся ядер в смеси или добавив специальные вещества, поглощающиеся нейтроны, то процесс деления ядер и выделения теплоты можно регулировать, что и используется в ядерных энергетических установках.

В 1972 г. на урановом месторождении Окло в юго-восточной части африканской республики Габон при изотопном анализе руды было обнаружено, что в ней концентрация изотопа урана-235 намного ниже естественной. Одновременно был установлен большой избыток изотопов неодима, рутения, ксенона и др., которые обычно получаются при реакциях деления ядер урана-235.

Одно из объяснений этого состоит в том, что около 2 млрд лет назад там возник природный атомный реактор, проработавший на глубине около 5 км примерно 500 тыс. лет. Для работы реактора нужен замедлитель нейтронов, например вода. Она могла накопиться в месторождении с высокой концентрацией урана-235 и запустить ядерную реакцию. Затем началось саморегулирование цепного процесса: с увеличением мощности реактора выделяющаяся теплота испаряет воду, замедляющего нейтроны вещества становится меньше, и мощность реактора падает. Вода снова накапливается, мощность возрастает, вода испаряется и т. д.

Цепные процессы очень распространены в природе и технике. Это, например, горение и взрыв пороха или нитроглицерина, или взрывная реакция между метаном и кислородом воздуха, если не закрыт газовый кран на кухне, или взрывы в шахтах, заполненных метаном, выделяющимся из пластов угля, или взрывоподобное образование пара при вскипании перегретой воды в колбе и мгновенная кристаллизация переохлажденной воды, начало дождевого ливня из облака.

Цепные реакции необязательно проходят быстро. Они обнаружены у кристаллов при температуре около 4 К. По закону ценной реакции начинается и проходит эпидемия гриппа. Поразительна схожесть течения опухолевого процесса и цепной реакции. По цепному механизму могут происходить размножение и гибель насекомых.

Если бы на одну муху в следующем поколении приходилось много выживших и размножающихся мух, то численность мух возрастала бы в геометрической прогрессии и они быстро бы заполнили Землю. Если бы в следующем поколении на одну муху пришлось бы в среднем менее одной мухи, их численность быстро упала до полного их исчезновения. В комнате летом из года в год летает примерно одно и то же число мух, что говорит о том, что на одну муху приходится один выживший потомок.

Саранча, уничтожающая посевы на полях на пути своего передвижения, размножается со скоростью цепной реакции. Однажды в Америке пролетела стая саранчи шириной 180 км и длиной около 3000 км. Кукурузные поля были съедены под корень. Но были годы, когда не встречалось ни одного насекомого (массовое размножение насекомых имеет периодический характер). После того как места размножения саранчи были вспаханы и орошались, саранча исчезла.

На ценном принципе основано использование средства для уничтожения тараканов. Съедая приманку, содержащую особый инсектицид замедленного действия, таракан заражает других тараканов, даже не попробовавших этой приманки. Съевшие приманку тараканы возвращаются в гнездо и, погибая, заражают других тараканов, каждый из которых становится источником заражения. В результате все население гнезда тараканов погибает по принципу цепной реакции. Если бы все живое — вирусы, бактерии, насекомые, животные — размножались по ценному механизму без стадии обрыва цепи, Земля была бы заполнена живым веществом.

Число ВИЧ-инфицированных растет по механизму цепных реакций с высоким разветвлением. Природа предусмотрела механизмы обрыва цепных процессов как на молекульном уровне процессов (обрыв цепи), так и на биологическом, поэтому самые страшные эпидемии (пандемии) не уничтожают все население страны.

Свежий анекдот, образное словосочетание, жаргонное словечко расходятся среди населения по тому же принципу. По цепному механизму распространяется мода и распродаются модные вещи. (В-3−23. Посмотрите на рис. 3.8 и письменно изложите, как вы его понимаете.).