В рамках нашего нового проекта «Капица — Резерфорд», посвященного отношениям российской и британской науки, химик Дэвид Филлипс рассказывает ПостНауке о разновидностях цепных реакций и их особенностях. Лекция на английском языке, но для читателей ПостНауки мы сделали перевод транскрипта.

 

Разработками цепных реакций в 1930-х годах занимались независимо друг от друга два ученых — сэр Хиншелвуд из Оксфорда (Великобритания) и Николай Николаевич Семенов из Института химической физики в Москве. Они работали независимо, но пришли к одинаковым выводам и были совместно награждены Нобелевской премией по химии в 1956 году.

 

Химическая кинетика — это отрасль физической химии, которая связана с изучением скоростей химических реакций, а также их механизмов. Первое понимание этого сформулировали в 1880-е годы Вант-Гофф и Аррениус, когда создали эмпирическое уравнение, которое показало, что скорость любой химической реакции зависит от скорости столкновения молекул (если это была бимолекулярная реакция), а также возникает энергетическая зависимость. Так работает отрицательная экспоненциальная зависимость от температуры. Это означает, что если нагреть смесь, то реакция будет протекать быстрее. В химических реакциях есть тепловые потоки. Следовательно, можно иметь дело либо с эндотермической реакцией (это означает, что вы постоянно должны поставлять энергию для реакции, потому что энергия продуктов реакции выше, чем энергия реагентов), либо с экзотермической химической реакцией, во время которой происходит выброс тепла. Это все, что было известно на тот момент.

 

Большинство людей в конце 1920-х считали, что большинство химических реакций были молекулярными. Например, если взять молекулу водорода (два атома водорода, соединенные вместе) и молекулу хлора (два атома хлора, соединенные вместе), они реагируют, как известно, образованием хлороводорода (HCl). У нас есть два водорода, два хлора, мы можем произвести два хлороводорода. Раньше видение этого процесса заключалось в том, что во время столкновения происходил молекулярный обмен и производились определенные продукты. Со временем стало очевидно, что этот механизм был неправильным, а существовал другой способ молекулярной реакции.

Рекомендуем по этой теме:
12087
FAQ: Мирный атом

На самом деле происходит следующее: вы делите хлор на два атома хлора, атом хлора вступает в реакцию с молекулой водорода, он забирает водород из молекулы водорода, оставляя вам одну молекулу хлороводорода и один атом хлора. Потом атом хлора вступает в реакцию с молекулой хлороводорода, забирает оттуда водород, и таким образом вы снова получаете молекулу хлороводорода. Но вы регенерируете атом хлора, который запустил весь процесс, поэтому он продолжается до тех пор, пока у вас не закончится топливо, пока не закончатся реактивные молекулы. Так выглядит простая цепная реакция.

 

Если реакция экзотермическая (вырабатывается тепло), то она ускоряется по мере того, как вы производите все больше и больше продуктов, больше и больше промежуточных веществ (интермедиатов). В ходе такой реакции очень быстро можно получить взрыв. Следует отметить, что любая экзотермическая реакция может быть взрывоопасной. Если вы вызываете реакцию и не снижаете температуру, охлаждая поверхность сосуда, в котором происходит реакция, то она может очень быстро привести к взрыву. Но это другой механизм производства взрывных реакций.

 

В этом простом линейном случае вы начинаете процесс с одного реактивного интермедиата — атома. Один атом действительно может инициировать весь процесс. Хиншелвуд и Семенов осознали, что существует множество различных реакций. Реакция, которая производит больше радикалов, называется разветвленная цепная реакция. Она начинается с одного инициирующего элемента и по мере развития реакции производит больше и больше реактивных элементов. Потом можно увидеть, как скорость реакции увеличится, что приведет к взрыву. Но это не термический взрыв — он происходит из-за того, что во время реакции производится все больше и больше реактивных элементов.

 

Лучшим примером будет реакция молекул водорода и кислорода в процессе производства воды. Если взять две молекулы водорода и одну молекулу кислорода, то можно получить две молекулы воды в качестве продукта. Это чрезвычайно экзотермическая реакция, она производит огромное количество тепла, а значит, взрывоопасна.

 

Два главных действующих лица в изучении разветвленных цепей смогли показать, насколько сложен этот механизм. Вам может показаться, что две молекулы, сталкивающиеся с одной для производства двух молекул воды, — это простая реакция. Это все что угодно, но только не она. Она включает в себя восемь различных способов размножения, около сорока различных реакций во время взрыва и, возможно, является наиболее ярким примером разветвленной цепной реакции.

 

Они общались друг с другом, поэтому они знали, кто чем занимается, но никогда по-настоящему не сотрудничали с целью объединить свои опыты. Семенов был скорее теоретиком, Хиншелвуд — практиком, но они разделили Нобелевскую премию 50/50 — это очень справедливый итог, я считаю, потому что оба сделали огромный вклад в этот проект.

 

Цепная реакция, о которой слышали большинство людей, — это цепная ядерная реакция, во время которой в процессе разделения урана-235 производятся нейтроны. Это инициирует дальнейшее деление урана-235. Если этот процесс не контролировать, он приведет к атомному взрыву, атомной бомбе. В подконтрольном состоянии, в котором вы можете регулировать количество производимых нейтронов, этот процесс ложится в основу выработки ядерной энергии.

 

Семенову хватило мудрости и предвидения, чтобы указать на эти перспективы во время первых обсуждений ядерной реакции в 1930-х годах. Он понял, что тот же самый тип цепи, который используется в физике, в процессе деления, может применяться в химическом мире, в разветвленных цепных реакциях. Так, он предвидел использование деления ядра как в мирных целях, так и в военных.

Рекомендуем по этой теме:
5358
Атомная энергетика сегодня

Они оба занимались многими другими делами. В 1930-х годах Семенов был назначен директором Института химической физики при Академии наук Советского Союза, а теперь — России. Он был очень молод: это произошло, когда ему было около 30. Он родился в 1896 году, а Хиншелвуд — в 1897-м, так что их жизни были достаточно синхронны, за исключением того, что Хиншелвуд умер намного раньше Семенова.

 

1966 год мне посчастливилось провести в Институте Семенова. Его заместитель, Виктор Николаевич Кондратьев, пригласил меня провести с ними год. За это время я несколько раз встречал Семенова. Один раз был особенно памятным — это была новогодняя вечеринка, на которой я пил водку вместе с ним и был этим очень горд. Я был молодой начинающий ученый, проводящий время с гигантом химической кинетики. В студенческие годы мы учились по его учебнику, но и по учебнику Хиншелвуда тоже. Поэтому в целом они неотделимы друг от друга в контексте их вклада в науку.

 

Осмысление разветвленной цепной реакции, в которое они оба сделали огромный вклад, привело к намного лучшему пониманию взрывной природы некоторых химических реакций, происходящих в газовой фазе. К тому же это чрезвычайно важный исторический вклад в понимание науки. Это привело к росту заинтересованности в химических механизмах. И сегодня можно сказать, что всего несколько химических реакций на самом деле молекулярные, как считали практически повсеместно в 1920-х годах. Большинство химических реакций происходит при помощи реактивных посредников и не являются непосредственной комбинацией молекул. Таким образом, они оба сыграли огромную роль в развитии своей науки.