[МУЗЫКА] Рассмотрим отдельно

реакцию между водородом и кислородом.

Водород в этой реакции выступает в качестве восстановителя,

а продуктом этой реакции является обычная вода.

Эта реакция достаточно экзотермична для того,

чтобы пламя водородно-кислородной горелки нагревалось

до температуры порядка 2800 °C.

Однако следует отметить, что реакция водорода с кислородом может

протекать совершенно по-разному, как спокойно, так и со взрывом.

Это можно проиллюстрировать на примере следующих опытов.

Горение водорода в пузырях.

Наполним газообразным водородом мыльные пузыри и подожжем их.

Водород сгорает совершенно спокойно,

реакция не сопровождается взрывным характером.

Обратите внимание,

что желтую окраску пламени в этом случае придают соединения натрия.

Взрыв смеси водорода с воздухом.

Возьмем железную банку с маленьким отверстием.

Наполним ее газообразным водородом, подожжем водород.

Обратите внимание на характерный хлопок.

Это свидетельствует о том, что водород зажегся.

Однако вы не видите окраски пламени, поскольку водород при

сгорании образует только летучие продукты и не образует мельчайших твердых частиц,

которые ответственны обычно за желтую окраску пламени.

Через некоторое время появляется характерный звук,

что свидетельствует о протекании реакции горения водорода в кислороде

за счет поступления кислорода из нижней части банки.

При достижении оптимального соотношения водорода к

кислороду реакция заканчивается взрывом.

Взрыв водорода и взрыв гремучей смеси.

В сиреневом шарике находится чистый водород, а в желтом шарике — смесь

водорода с кислородом в соотношении 2 : 1, так называемая гремучая смесь.

Обратите внимание на разный звук,

получающийся при поджигании этих шариков.

[ЗВУК]

[ЗВУК] Взаимодействие

водорода с кислородом может протекать и таким образом.

На слайде представлена фотография крушения дирижабля «Гинденбург»

в 1937 году при его приземлении в Америке в Нью-Джерси.

Эта авария унесла жизни нескольких десятков людей, что положило,

по сути дела, конец использованию дирижаблей, наполненных водородом.

Таким образом, процесс взаимодействия водорода с кислородом может быть как

совершенно безопасным, так и приводить к чрезвычайно трагическим последствиям.

Почему же реакция протекает настолько по-разному?

Ответ на этот вопрос был дан в работах Николая Николаевича Семенова,

единственного русского нобелевского лауреата по химии,

получившего эту премию совместно с Сирилом Хиншельвудом за

исследования механизмов цепных реакций.

Согласно современным представлениям,

реакция водорода с кислородом протекает как разветвленная цепная реакция.

Стадией зарождения цепи является взаимодействие водорода с

кислородом с образованием двух OH-радикалов.

Эта стадия эндотермична.

Следующая стадия относится к разветвлению цепи.

Действительно, посмотрите, радикал водорода,

реагируя с молекулой кислорода, генерирует OH-радикал и атомарный кислород.

То есть из одного радикала получается два.

В свою очередь атомарный кислород, реагируя с молекулой водорода,

образует OH-радикал и генерирует атомарный водород.

Таким образом,

на стадии разветвления цепи число активных радикалов увеличивается вдвое.

И если бы этот процесс продолжался неконтролируемо,

то у нас бы образовалась так называемая цепная лавина.

Однако в этой реакции есть и второй путь,

связанный с тем, что если взаимодействие атомарного водорода с

молекулой кислорода происходит в присутствии некоей третьей частицы,

которая может забирать выделяющуюся энергию, например,

это может быть какая-то соседняя молекула или стенка сосуда,

то тогда в результате этой реакции образуется радикал HO2.

Формально это тоже радикал,

то есть эту стадию можно отнести к стадии продолжения цепи.

Однако процесс образования HO2 достаточно экзотермичен.

Дальнейшая реакционная способность его сильно эндотермична, поэтому образование

этого радикала, скорее, тормозит, нежели увеличивает скорость всей реакции в целом.

Обратите внимание,

что если радикал HO2 на следующей стадии реагирует с молекулой водорода,

то у нас генерируется пероксид водорода и радикал водорода.

Пероксид водорода при высоких температурах термически нестабилен.

Образование пероксида водорода можно обнаружить, направляя пламя

водородно-кислородной горелки на лед, таким образом замораживая течение реакции.

Как и в любой цепной реакции, в реакции водорода

с кислородом также существует стадия обрыва цепи.

Она может протекать опять-таки как рекомбинация радикалов в объеме,

так и на стенках сосуда.

И вот здесь оказывается, что в зависимости от того,

какова скорость роста числа радикалов в системе,

и какова скорость гибели этих радикалов,

реакция может протекать по различным путям.

Схематично это можно представить на следующей диаграмме.

По оси абсцисс здесь отложена температура, а по оси ординат — давление в системе.

Изогнутая линия разделяет область диаграммы на две части.

В левой части — область спокойного горения водорода, в правой части — область,

в которой взаимодействие водорода с кислородом протекает со взрывом.

Давайте зафиксируем какую-нибудь температуру,

показанную вертикальной линией на слайде, и посмотрим,

что происходит в системе при увеличении давления.

При очень низких давлениях

пробег частиц очень большой,

поэтому образующиеся радикалы, не встречая по пути молекул,

с которыми они могут прореагировать, очень часто ударяются о стенки сосуда.

Таким образом, гибель радикалов на стенках чрезвычайно высока.

Это приводит к тому,

что горение водорода протекает достаточно спокойно или вообще не протекает.

При достижении некоего порогового значения,

называемого первым пределом воспламенения,

количество образующихся радикалов превышает количество гибнущих радикалов,

возникает лавинообразное нарастание радикалов в системе,

и реакция начинает протекать со взрывом.

Обратите внимание, что реакция водорода с

кислородом отвечает принципу «всё или ничего».

Проиллюстрируем это на конкретном примере.

Если давление в системе на 1 % меньше порогового значения,

то есть давление составляет 0,99 первого предела воспламенения,

то такая реакция практически не идет.

Теоретические расчеты показывают,

что на 30 % такая реакция пройдет за три миллиона лет.

Это связано с тем, что, как показано на диаграмме ниже,

после инициации реакции разветвление цепи практически не происходит,

потому что образующиеся радикалы претерпевают гибель на стенках сосуда.

На этой схеме белым кружком показано зарождение цепи,

а черными точками показана гибель радикалов на стенках сосуда.

Поэтому в данном случае реакция идет чрезвычайно медленно.

Наоборот, если давление всего на 1 % выше предельного давления,

то на те же 30 % такая реакция пройдет всего за три секунды.

Это связано с лавинообразным нарастанием свободных радикалов в системе,

поскольку количество рождающихся радикалов заметно превышает

количество гибнущих радикалов на стенке сосуда.

При дальнейшем повышении давления в системе

возникает второй предел воспламенения,

выше которого реакция снова протекает спокойно.

Причина происходящего совершенно в другом.

При очень высоких давлениях радикалы не могут достигнуть стенок сосуда,

но они также начинают рекомбинировать уже между собой,

не успевая прореагировать с соседними молекулами.

Поэтому гибель радикалов в основном приходится

на их рекомбинацию при больших давлениях.

Наконец, при очень больших давлениях реакция снова протекает со взрывом.

Это связано с экзотермичностью протекания процесса,

и этот взрыв имеет, скорее, тепловую природу.

Таким образом, как вы видите, реакция взаимодействия водорода с

кислородом не так проста, как кажется на первый взгляд,

и в зависимости от условий может протекать совершенно по-разному,

что мы уже видели в ходе демонстрации опытов.

[БЕЗ_ЗВУКА]

5. Реакция водорода с кислородом

Неорганическая химия: Введение в химию элементов (Inorganic chemistry: Introduction to chemistry of the elements)

Meet the Instructors