0:00
[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]
[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]