Техника - молодёжи 1960-08, страница 43

СВОБОДНЫЕ РАДИКАЛЫ

1 ЭФЕМЕРНЫ! ЧАСТИЦЫ

ЗЕМЛЯ — это гигантская химическая лаборатория, в которой непрерывно идут реакции между атомами и молекулами. На химических реакциях зиждутся соаидание и разрушение веществ в природа. Химическим реакциям обязаны появлением молекулы, вещества, тала, планеты...

Химические реакции лежат в основе всевозможных производственных процессов, осуществляемых человеком. Продукты их всюду. Это наша пища, одвжда, обувь, предметы быта. Это горючае для самолетов, кораблей, автомобилей. Это кирпич, стекло, цемент, металл. Польауась химическими реак-циями, человек создает материалы, которых не было в природа: синтетическое жидкое топливо, искусственные волокна, синтетический каучук, пластические массы.

В основе технологических процессов в химической промышленности лежат реекции между атомами и молекулами. Из теории и практики известно, что свободные атомы более активны, чем молекулы. Химическав реакция, в которой участвуют свободные атомы, протекеет быстрее, отсюда и продуктов рвакции в этом случав за единицу времени получается больше. Однако обыч-ныв вещества, которые приходится брать в качестве сырьв для осуществления той или иной реакции, кек правило, состоят из молекул и свободных атомов на имеют. Позтому химические процессы проводят е специальной аппаратуре под непрерывным воздай-станем света, тепла или других ускорителей реакции.

Но химикам давно были знакомы и саморазвивающиеся реакции. Возьмем, например, процесс образования хлористого водорода из водорода и хлора под аоздайстаием света. Смесь водорода и хлора облучают • пучком интенсивного света. Молекулы хлора за счет приобретенной знергии распадаются на свободные атомы. Каждый такой атом «непадаат» на молекулу водорода и расщепляет ее. В свою очередь, свободные атомы водорода раскалывают молвкулы хлора. Их взаимная «драка» можвт привести к взрыву смеси. В зтом процессе достаточно того, чтобы один фотон света произвел злемвнтарную реекцию совдинвния, как за ивй следует цепь химических соединений, не требующих уже сватовой виаргии. Один фотон здвсь можвт привести к образованию примврно 100 тыс. молекул хлористого водорода.

Как же объасняатся процесс саморазвития химической реакции?

Ответ на этот вопрос дан двумя группами советских ученых. Исследования саморазвивающихся химических реакций а газах проводились в Института химической фиаики Академии наук СССР под руководством академика Н. Н. Свмвнова и члена-корреспон

А. ВУЯНОВ, инженер

дента АН СССР Н. М. Эмануеля. А исследования саморазвивающихся химических реакций в растворах велись в Горьковском государственном университета под руководством профессора Г. А. Разуваеаа.

Переход от пректически инертной системы к бурно развивающейся химической реакции ученые объясняют тем, что в реагирующей масса под воздействием, допустим, тепла или света зарождаются так называемые свободные редикалы. Это что такое?

Большинство молекул газообразных веществ состоит из двух атомов. Устойчивое состовиие таких молекул объасняется тем, что отдельные атомы, входя в их состав, образуют связи за счет двух электронов. При зтом магнитные моменты злектроиов направлены в противоположные стороны. Пара злектроиов образует так называемый дублет (см. цавтиую вкладку). Под воздайствивм твпла или света такав связь в молекуле может разорватьсв. Если при разрыве дублет целиком остается у одной части молекулы, то получеются ионы. Когда же разъединяются электроны дублета, обрезуютсв свободные радикалы.

Химические радикалы — зто, так сказать, осколки молекул. Они появляются при респеда молекул, и каждый из них содержит одиночный, неспаренный электрон. Этот электрон «жаждет» соединиться с другим неспареиным. Таким образом, свободные редикалы валяются системами с неиспользованными энергиями свази, а зто обусловливает их высокую химическую активность. Они живут крайив мало. Свободные радикалы являются как бы эфамериыми частицами. За одну секунду отдвльиые атомы, находясь в объеме не более кубического сантиметра, способны осуществить от 100 млн. до 1 млрд. столкновений. В теки* условиях, если дажв длительность жизни химически активных частиц составляет какую-то тысячную долю секунды, возможность образования химического соединения между ними очень валика. От степени их участив в реакции зависит характер процесса: или он спокойный, как при высыхании красок, или, наоборот, бурный, как _ч в любой рвакции взрыва.

Существаииоа различна мажду процессами спокойного высыхания краски и мгновенной реакции взрыва заключается в том, что в пвраом случае частицы в промежутках времени между своим рождай нам терают 'таплоту реакции в окружающую среду. А во втором случае зта теплота ие успевает тервться и приводит к взрыву, если, конечно, зтим процессом не управлять.

В химических реакциях таким эфемерным частицам принадлежит ведущее роль.

В семой древнай цепной реекции, с которой познекомилсв человек, — ре

акции горения —главным участником является кислород. Молекула кислорода состоит из двух атомов, в наружном слое которых имеется по два (из шести) электрона с иеспераиными магнитными моментами. Это н ставит молекулу кислорода в раэрвд молекул, жадно реагирующих а племени со свободными радикалами и с устойчивыми группами атомов в холодном состоянии.

Свободные радикалы могут образо-ваться под влиянием иегрееа. Причиною их поавлеииа может быть сввтовав энергия, в также энергия радиоактивного излучеиив. Во всех этих и других случая* за счет приобретенной энергии нарушаетсв спареиность электронов, разрываются молекулы, и химически активизированные системы реагируют друг с другом.

Стоит только в инертной среда появиться одному свободному радикалу, как он тотчас жв реагирует с молекулой окружающего вещества и порождает новые свободные редикалы. Возникают цепи химических превращений.

Ц1ПНЫ1 РВАКЦИИ

Раньше считали, что при реекции свободного атома или осколка молвкулы с молекулой исходного вещества рождается не более одной новой активной частицы. Академик Н. Н. Семенов своими иссладованиями доказал, что каждый свободный радикал способен при реекции породить две, а иногда и три новые активные частицы. Таким обрезом, одна из них будет продолжать ранее нечатую цвпь рвакции, а остальные станут образовывать новые. Происходит разветвление, то есть не каждой из поавившилсв ввтввй возникают иовыа цепи. Если число рвзветвлений будет превышать число обрывов, то скорость рвакции очень быстро возрастет (см. цветную вклаДку).

Открытка Н. Н. Семеновым цепных резввтеленных реакций позволило по-зибть закономерности сложнейшего мира химических явлений.

Многие важные процессы в химии принадлежат к цепным реакциям. К ним относятся взрывы и рвакции окислеиив органических веществ, в честности форели е. Они охватывают такие реакции, как полимеризация, крекинг, хлорирование и другие. На этих реакция* основаны производства вдохимикатов, растворителей, медицинских препаратов, хладоагеитов, средств пожаротушения и ряда других химических процессов.

Атомный взрыв — тожв примвр разветвляющейся цепной реекции, ио только ядерной. В зтом случав умножителями цвпвй явлвются нейтроны, а ие свободные радикалы, как в химических реакциях.

Методы ресчета цепных химических реакций в 1940 году