Техника - молодёжи 1953-01, страница 34

цлснно. гак как соединение атомов углерода с атомами кислорода происходит только на поверхности раскаленного куска угля.

В цилиндре двигателя внутреннего сгорания топливо находится в тонко распыленном состоянии и тесно смешано с воздухом. Там сгорание происходит значительно быстрее. Когда молекула бензина встречается с молекулами атмосферного кислорода (состоящими каждая из двух атомов кислорода), то происходит экзотермическая перестройка молекул.

Силы притяжения, как говорят химики, «сродство» между атомами кислорода и атомами углерода и водорода, больше, чем силы, действующею между двумя атомами кислорода, двумя атомами углерода или атомами углерода и водорода. Таким образом, в результате столкновений между молекулами кислорода и бензина прежние атомные связи распадаются, устанавливаются новые связи, происходит образование углекислоты и воды (в виде пара) с высвобождением энергии.

Экзотермическая реакция разложения нитроглицерина отличается от реакции сгорания бензина тем, что в молекуле нитроглицерина уже имеются атомы кислорода, которые «отделены» от атомов углерода и водорода «инертными прослойками» — атомами азота.

Если нитроглицерин разогреть до достаточно высокой температуры, то в результате тепловых колебаний сложных молекул этого вещества может прорхсходить случайное сближение между периферийными атомами ^ислоро да и атомами углерода и водорода, образующими «сердечник» молекулы нитроглицерина. Благодаря большим силам притяжения между этими атомными парами перестановка атомов происходит крайне быстро и вся сложная молекула взрывчатого вещества распадается на множество частей, высвобождая большие количества энергии. Все атомы, участвуюидое в реакции, уже имеются внутри каждой молекулы. При реакции нет затраты времени на сближение отдельных молекул. Реакция распада происходит значительно быстрее реакции горения. Такую быструю реакцию называют взрывом.

Надо особо подчеркнуть, что различие между горением и взрывом заключается не в количестве высвобождаемой энергии, а в скорости, с которой происходит это высвобождение. Сгорание бензина в смеси с соответствующим количеством кислорода высвобождает 2 500 малых калорий на грамм смеси, в то время как при взрыве нитроглицерина высвобождается всего 1 ООО малых калорий на грамм. Но сгорание смеси паров бензина с воздухом в цилиндре автомобильного двигателя происходит в течение тысячных долей секунды, тогда как при взрыве нитроглицерина весь процесс длится всего несколько миллионных долей секунды.

ОБ УСТОЙЧИВОСТИ

СКЛАДОВ ЭНЕРГИИ

Нусок угля не будет гореть на воздухе или даже в чистом кислороде, если его температуру не довести до точки загорания. Также и обычное взрывчатое вещество не взорвется до тех пор, пока его

молекулярная структура не будет достаточно сильно расшатана путем либо нагрева, либо мощного механического удара. Во всех случаях, чтобы начать высвобождение xhmpi-ческой энергии, необходимо подвести к реагирующим веществам некоторое начальное количество энергии. Наличие такого «спускового механизма» является важным условием для практического использования экзотермических реакций. Иначе топливо и взрывчатые вещества сгорали или взрывались бы, как только они были добыты.

Свойство системы, заряженной энергией, высвобождать эту энергию лишь после того, как извне будет внесен некоторый небольшой энергетический аванс, называется метастабилыюстью. Поясним это понятие следующим примером: некоторое количество воды влито в яму. Если не прикладывать никакой внешней работы, чтобы изъять воду из ямы, то она будет оставаться там неопределенно долго. Очевидно, что нет никакой возможности использовать эту массу воды для производства механической работы, например для вращения турбин гидроэлектростанции. Мы говорим, что вода в яме, которая ниже окружающего уровня, находится в устойчивом — стабильном равновесии.

Если же вместо того, чтобы выливать воду в яму, мы будем, наоборот, лить ее на верхушку холма, она там вовсе не будет оставаться, а потечет потоками во все стороны. Положение воды на вершине холма неустойчиво - нестабильно.

Рассмотрим теперь случай, когда вода заполняет впадину, находящуюся не на ровном месте, а на горе. (Примером может служить хотя бы известное озеро Севан, находящееся в Армении на высоте почти 2 километров над уровнем моря.) Будучи предоставлена самой себе, вода может оставаться в высокогорной впадине столь же долгое время, как и в яме. Однако в принципе из высокогорной воды можно получить энергию, переведя эту воду на более низкий уровень. Чтобы добыть энергию, надо перевести воду через верхний край впадины, а для этого затратить некоторое количество энергии извне. Очутившись над краем, вода заструится по склону горы, и от этой падающей воды можно будет получить значительно больше энергии, чем та энергия, которая была затрачена на приведение ее в движение. Мы говорим, что вода в высокогорной впадине находилась в метастабильном состоянии, и называем то количество энергии, которое должно быть затрачено, чтобы перевести воду через край впадины, энергией активации.

Можно называть состояние мета-стабильным, когда энергия активации этого состояния меньше всей освобождаемой энергии.

ХИМИЧЕСКИ СТАБИЛЬНЫЕ И МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Вода является устойчивым веществом, поскольку атомы кислорода и водорода связаны весьма крепко, никакой перестановкой атомов здесь не добыть энергии. Нитроглицерин или смесь паров бензина с кислородом - это метастабильные вещества. При перегруппировке их атомов высвобождается энергия внутримолекулярных связей. Однако такая перегруппировка может начаться лишь в том случае, если молекулы этих веществ получат извне достаточные количества энергии, чтобы быть в состоянии перейти «через верхний край». Потребные количества энергии активации подводятся, например, путем повышения температуры теплового движения его молекул. Повышение энергии столкновений между молекулами вызывает сильные внутренние вибрации отдельных метастабильных молекул (например, в нитроглицерине), а также более глубокие проникновения структур молекул друг в друга при их столкновениях. Это облегчает внутреннюю перегруппировку атомов и последующее освобождение химической энергии связи.

Энергии активации химических реакций имеют относительно низкие значения. Это дает возможность возбуждать реакции с помощью сравнительно простых средств. Так, например, сухое дерево можно поджечь (по крайней мере, говорят, что можно) путем энергичного трения двух кусков дерева друг о друга, а взрывчатое вещество можно заставить детонировать, ударив по нему с достаточной силой молотком.

Низкой энергией активации химических превращений объясняется то обстоятельство, что подавляющее большинство существующих в природе химических соединений находится уже в самом устойчивом своем состоянии, так что энергии из них более не получить. Правда, каменный уголь и нефть сохранились благодаря тому, что оказались отделенными от кислорода атмосферы слоем горных пород.

Но нельзя надеяться найти естественные залежи, скажем, нитроглицерина или нитроклетчатки, которые можно было бы прямо пррше-нять для взрывных работ.

ЯДЕРНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

С точки зрения ядерных превращений все элементы за исключением серебра (и нескольких ближайших к нему элементов) находятся в метастабильном состоянии и могут высвобождать большие количества скрытой энергии путем либо слияния (легкие элементы), либо распада (тяжелые элементы). Этот вывод находится в резком контрасте с тем положением, которое имеется в области химических превращений, где все молекулярные структуры уже находятся в состоянии наибольшей устойчивости и единственными оставшимися случаями мета-стабильности являются лишь отложенрхя каменного угля,

32