Глазами Монжа-Бертолле

Разумеется, не всякое сближение приводит к заключению химического союза. Однако чем чаще столкновения, тем выше вероятность взаимодействий. Ведь в более густой толпе толкучка сильнее.

По мере того как образуется новое соединение, толпа молекул зачастую редеет. Например, после каждого элементарного акта взаимодействия 2H₂ + O₂ = 2H₂O вместо трех молекул образуются две. А в реакции N₂ + 3H₂ = 2NH₃ две из четырех. Чтобы повысить концентрации реагирующих веществ и увеличить выход продукта, приходится прибегать к повышенному давлению. Равновесие тотчас же смещается так, чтобы ослабить внешнее воздействие: концентрация исходных веществ падает, зато конечного продукта прибавляется.

Однако если бы скорость химического превращения зависела лишь от концентрации реагентов, на Земле начались бы довольно странные вещи. Представьте себе, что вдруг ни с того ни с сего вспыхнула книга, которую вы читаете. Или стул, на котором вы сидите. Расческа, которая лежит у вас в кармане. Этого не происходит. Даже бензин преспокойно стоит в бачке, не угрожая пожаром. Между тем, казалось бы, созданы все условия для реакции: кислорода предостаточно, а бумаге, дереву, целлулоиду, бензину горючести не занимать. Но нет, недаром книжка Рея Брэдбери называется «451° по Фаренгейту» (примерно 230 градусов по Цельсию). Лишь при такой температуре воспламеняется бумага.

Разумеется, и при нормальных условиях молекулы кислорода сталкиваются с молекулами топлива, скажем бензина. И отскакивают друг от друга, как бильярдные шары. Взаимодействия не происходит. Картина изменится, если поднести спичку (подобный опыт, конечно, следует проводить чисто умозрительно). Тепло ускорит движение молекул, увеличит их энергию. И только перешагнув через определенный энергетический барьер, молекулы смогут вступить в химическое взаимодействие.

Энергия активации не обязательно должна подводиться в виде тепла (инфракрасного излучения). Смесь водорода с хлором взрывается, если на нее направить солнечный свет.

Действие катализатора именно в том и заключается, что он понижает энергию активации, облегчая молекулам путь к химическому союзу. Понижает раза в два-три. А ферменты — органические катализаторы — даже в четыре-пять раз! Понятно, почему в клетках нашего тела сахар сгорает при температуре менее 40 градусов. Катализатор способен ускорить процесс в миллионы раз!

Важная и интересная деталь: катализатор сам по себе не увеличивает выход продукта. Ибо он не смещает равновесия, как давление или нагревание. Он просто ускоряет его наступление. Это немного странно на первый взгляд. Но факт неоспорим.

Вот наша реакция N₂ + 3H₂ = 2NH₃. Аммиак образуется и при комнатной температуре. Ведь какая-то, правда небольшая, часть молекул азота и водорода всегда имеет энергию иную, чем наиболее вероятная. Статистический «разброс» приводит к тому, что некоторые молекулы реакционноспособны. Взаимодействие начинается. Но пока наступит равновесие, придется ждать несколько тысячелетий. Если же внести катализатор, равновесное состояние установится во много раз быстрее. Однако количество аммиака будет тем же, что и через тысячи лет.

Казалось бы, выход аммиака можно повысить нагреванием. Ничуть не бывало! Как раз наоборот: чем выше температура, тем сильнее сдвинуто равновесие в сторону разложения аммиака. Это объясняется просто: при реакции выделяется тепло. А равновесные системы как бы стараются погасить, ослабить внешнее воздействие по мере собственных сил и возможностей. Уже говорилось, что увеличение давления сдвигает равновесие N₂ + 3H₂↔2NH₃ вправо. Ибо тогда суммарное количество молекул убывает, и давление в системе падает. Нагревание же, напротив, привносит тепловую энергию в дополнение к той, которая выделяется в процессе реакции. Чтобы как-то скомпенсировать внешнее «возмущение», система перестраивается. Реакция начинает течь вспять, поглощая тепло. Тогда, быть может, стоит посильней охладить смесь? Опять нет! Понижение температуры сильно уменьшит скорость превращения азота и водорода в аммиак. Придется ждать богатого выхода тысячелетиями. Нет уж, лучше подобрать такие условия, когда скорость превращения окажется достаточно высокой, а выход продукта не слишком низким. Такой режим в математике называется оптимальным.

Не все системы в химии характеризуются подобным приспособленчеством.

Бывает, что они возмущенно реагируют на внешнее «раздражение» бурным противодействием. Например, горючая смесь в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания. Иногда она во время такта сжатия взрывается. Приходится усмирять бензин антидетонационными добавками.

Горение и взрыв — пожалуй, самые непокорные среди реакций. Но их неповторимое своеобразие, а главное, их огромное научное и техническое значение притягивают к себе ученых, словно магнитом.

Огонь… Ослепительное и жаркое чудо природы с незапамятных времен будоражило человеческое воображение. «Молодое электричество мы знаем лучше, чем древний огонь». Эти слова принадлежат создателю современной теории горения академику Николаю Николаевичу Семенову.