html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Химические цепные реакции

Химик Дэвид Филлипс о химической кинетике, экзотермических реакциях и перспективах использования атомной энергии в мирных целях

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.

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.

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.

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с postnauka.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • PostNauka
          • физика
          • ученые
          • химия
          • домен postnauka.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции