Глазами Монжа-Бертолле

Не только в химии крупномасштабному воплощению инженерного замысла предшествуют опыты с крошечными моделями. Сколько наблюдений над игрушечной копией «ТУ-104» было проделано в аэродинамических трубах, прежде чем дюзы могучего исполина огласили аэродромы зычным уверенным гулом!

Как же конструкторы переходят от одних масштабов к другим?

Чтобы превратить лилипута в Гулливера, обычно используется теория подобия. Результаты экспериментов с карликовой моделью пересчитывают по определенным уравнениям для всамделишного гиганта. Это очень эффективный метод, давно и хорошо зарекомендовавший себя в авиации, гидравлике, теплотехнике.

Увы, не в химии! Здесь при переходе к другим масштабам характер процессов, как правило, изменяется. Но отчего? Разве синтез того же аммиака в заводском аппарате описывается другим уравнением, нежели в лабораторной установке? Нет, и стехиометрия и характер равновесия остаются теми же самыми. Тогда, может статься, дают о себе знать какие-нибудь неучтенные тонкости процесса?

Что ж, давайте разберемся во всем по порядку.

Огонь, порождающий своего заклятого недруга — воду. Такому мог удивиться разве что Генри Кавендиш, который впервые наблюдал горение водорода в кислороде. А сегодня любой школьник запросто напишет незамысловатую реакцию: 2H₂ + O₂ = 2H₂O. Простенькое уравнение, не так ли? Два объема водорода, один кислорода, и в итоге — два объема водяных паров. Берешь два исходных вещества, получаешь один конечный продукт.

Уравнение одно, но почему такие странные различия? В опытах Кавендиша над трубкой, из которой выходил водород, теплился едва заметный язычок пламени. Зато, если взять те же количества водорода и кислорода, но тщательно перемешать, получится гремучий газ. Если его поджечь, он взорвется.

Масштаб один — эффекты разные.

В годы первой мировой войны немецкое командование для бомбардировки Лондона и Парижа построило 123 дирижабля. Из них 40 было уничтожено противником. Стоило зажигательному снаряду угодить в оболочку воздушного пирата, как цеппелин, мгновенно вспыхнув, исчезал в огне и дыме. Оно и понятно: дирижабли заполнялись водородом. Небесное «аутодафе» не всегда сопровождалось взрывом: оболочка препятствовала перемешиванию водорода с воздухом. И, как в опыте Кавендиша, водород воспламенялся, но не взрывался.

Масштабы разные — эффект один.

При комнатной температуре гремучая смесь — в маленьком ли баллончике, в громадном ли резервуаре — сохраняет спокойствие. Даже при нагревании до 300 градусов скорость реакции неизмеримо мала. Однако при переходе за черту в 600 градусов (температура тлеющего уголька) взаимодействие протекает мгновенно. Смесь взрывается.

Описанные примеры помогут нам сделать кое-какие выводы. Если условия одинаковы, то скорость процесса почти не зависит от его масштабов. И еще: на скорость химического процесса сильно влияет тепло. Опытным путем установлено приближенное правило: нагревание на 10 градусов ускоряет ход реакции в два-четыре раза. Так что если у вас повышенная температура, лекарства будут помогать вам скорее.

Однако непонятно другое. Стоит внести в огромный объем горючей смеси даже тлеющий окурок, как из искры возгорится пламя. Почему? Каким образом маленькая спичка вызывает большой пожар? У крохотного факела температура 600–800 градусов. Но все равно этого далеко не достаточно, чтобы прогреть насквозь внутренности цеппелина или обыкновенного полена до температуры реакции. А языки пламени ненасытны, их не уймешь, пока они не слижут дотла остатки своей добычи. И это еще не все вопросы.

Возьмите кусочек рафинада и попробуйте поджечь его. Сахар оплавится, обуглится, но не воспламенится. А теперь посыпьте его золой из пепельницы. И вторично поднесите зажженную спичку. Сахар вспыхнет ровным голубоватым пламенем. Что случилось?

Зола сама по себе негорюча. Ведь это же минеральные соли! Если провести химический анализ, то в остатке от преданного огню кусочка рафинада вы обнаружите то же количество золы, взятой из пепельницы, что и до опыта. Очевидно, зола сыграла роль катализатора. Выходит, не только от тепла зависит скорость реакции!

И все же сахар можно поджечь спичкой без катализатора.

Те, кому довелось бывать на сахарных заводах, помнят, должно быть, таблички «Не курить!» даже там, где нет и в помине чего-нибудь легковоспламеняющегося. Оказывается, остерегаться следует… сахара. Правда, не кускового. Опасным врагом он становится лишь в виде пылинок, витающих в воздухе.

Обмерьте кусочек пиленого сахара. Общая площадь его граней невелика — в лучшем случае, с большую почтовую марку. Но разотрите кусочек в тонкую пудру — и суммарная поверхность частиц может достигнуть размеров футбольного поля. Между тем количество вещества осталось прежним! Если распылить порошок в воздухе, крупинки хорошо перемешаются с окислителем (кислородом). И сахар, который в компактной массе загорается с таким трудом, внезапно обретает силу динамита.