ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

Наука » Химия

К концу XIX в. дружными усилиями физиков и химиков была разработа­на важнейшая глава физической химии — учение о равновесиях хими­ческих реакций, или химическая тер­модинамика. Одновременно с учени­ем о равновесиях создавалась теория о скоростях химических процессов — химическая кинетика. Накопленные ко второй половине XIX в. многочис­ленные экспериментальные данные и сформулированные на их основе за­кономерности (закон действующих масс, уравнение Аррениуса) считались твёрдо установленными. Тем не менее время от времени появлялись факты, которые невозможно было объяс­нить ни одной из существовавших теорий. Едва ли не самой загадочной оказалась очень простая с виду реак­ция водорода с хлором: Н2l2=2НСl, которая может идти при на­гревании либо при облучении светом. В последнем случае реакцию называ­ют фотохимической (от греч. «фотос» — «свет»).

ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

Механизм цепного процесса подобен эффекту домино. Зарождение, рост и обрыв цепи. 

  

В 1845 г. английский химик Джон Дрепер (1811 — 1882) установил, что под действием солнечного света хлор приобретает особую активность в реакции с водородом. Учёный считал, что «активный хлор» — особая разно­видность хлора. Однако впоследствии было доказано, что никаких особых «модификаций» газообразный хлор не имеет. Ещё более удивительный факт обнаружили в 1857 г. немецкий химик Роберт Вильгельм Бунзен (1811 — 1899) и его ученик из Англии Генри Энфилд Роско (1833—1915). Выяснилось, что некоторые примеси даже в самых малых концентрациях могут оказать огромное влияние на скорость этой реакции. Например, кислород очень сильно замедлял её — в сотни раз при увеличении его кон­центрации с 0,01 до 1 %, Это был парадоксальный результат, не подда­ющийся объяснению: ведь кислород сам прекрасно реагирует с водоро­дом. Столкнулись исследователи и с другими непонятными явлениями. В частности, скорость реакции за­висела от материала, из которого сделан сосуд, и даже от его размеров. В стройном, казалось бы, учении о скоростях реакций появилась брешь, и никто не знал, как же её закрыть.

Как заметил (хотя и по другому пово­ду) английский химик, лауреат Нобе­левской премии Сирил Норман Хиншелвуд (1897—1967), «ситуация здесь аналогична той, которая обычна в ис­следованиях по психологии: большую часть сомнительных данных можно исключить, но часто остаётся ма­ленький упрямый фактик, с которым не так-то просто справиться». А реак­ция водорода с хлором преподноси­ла всё новые сюрпризы... 

В начале XX в. Альберт Эйнштейн сформулировал для фотохимических реакций закон квантовой эквивалент­ности: каждый поглощённый квант света (фотон) вызывает изменения лишь в одной молекуле. Эксперимен­тально несложно измерить число по­глощённых в реакции квантов света и число прореагировавших (или обра­зовавшихся) молекул. Отношение этих величин называется квантовым выходом реакции. И если каждая поглотившая квант света молекула превращается в одну молекулу продук­та, квантовый выход равен единице. Однако экспериментально измерен­ные квантовые выходы различных фотохимических реакций сильно раз­личались. Некоторые из них оказались меньше единицы, другие — боль­ше. Это не согласовывалось с законом Эйнштейна. 

Ситуация резко изменилась в 1913 г., когда один из основоположни­ков химической кинетики немецкий химик Макс Боденштейн измерил квантовый выход фотохимической реакции Н2l2=2НСl. Результат ока­зался невероятным: число молекул НС1, образовавшихся при поглощении смесью одного кванта света, иногда достигало миллиона! Учёный объяс­нил столь поразительный эффект сле­дующим образом: каждый поглощён­ный смесью квант света «запускает» длинную цепочку превращений, в ко­торой реагируют сотни тысяч молекул исходных веществ, превращаясь в мо­лекулы продукта реакции. Это подоб­но тому, как выстроенные в ряд (или змейкой) костяшки домино быстро, словно по команде, падают одна за другой, если толкнуть первую из них. 

Боденштейн сформулировал и ос­новные принципы протекания ново­го типа химических превращений — цепных реакций. Все они имеют три стадии: 1) инициирование, или зарож­дение, цепи, когда происходит обра­зование активных частиц; 2) продол­жение (развитие) цепи; 3) обрыв цепи. Зарождение цепи возможно как термическим, так и фотохимиче­ским путём. На стадии её развития образуются молекулы продуктов реакции и одновременно появляются новые активные частицы. На стадии обрыва происходит исчезновение (дезактивация) активных частиц. 

Цепной механизм реакции полу­чил блестящее экспериментальное подтверждение. Известно, что если газ нагревать неравномерно, в нём образуются горячие струи, которые можно сфотографировать. Химики знали также, что в реакции водорода с хлором выделяется много теплоты. Смесь водорода с хлором облучали очень короткой (несколько стотысяч­ных долей секунды) вспышкой света от электрической искры и затем фо­тографировали. Обнаружилось, что спустя 0,0025 с струй на снимках ещё нет, потом они появляются, достига­ют максимума через 0,01 с и вновь ис­чезают. Это означает, что в момент вспышки и сразу после неё, в течение нескольких тысячных долей секунды, реакция практически не идёт. Она развивается уже после того, как искра потухла. Единственным объяснением может служить цепной механизм, со­гласно которому свет только начина­ет реакцию, продолжаться же какое-то время она может сама. 

Если смесь нагрета несильно или интенсивность света невелика, реак­ция идёт спокойно. Основываясь на этом факте, Боденштейн выдвинул очень важный принцип стационар­ной концентрации промежуточных продуктов: скорость генерирования активных частиц на стадии зарожде­ния цепной реакции равна скорости исчезновения активных частиц на стадии обрыва. Действительно, если бы скорость обрыва была больше скорости зарождения цепей, то чис­ло активных частиц снизилось бы до нуля и реакция прекратилась сама со­бой. А в случае преобладания скорос­ти зарождения число активных час­тиц должно расти со временем, что привело бы к взрыву. 

Теория цепей хорошо объясняла особенности протекания реакции водорода с хлором (и некоторых других сходных реакций). Дело оста­валось лишь за тем, чтобы выяснить химический механизм для каждой стадии реакции. Учитывая уровень 

знаний того времени, это оказалось трудной задачей, и сам Боденштейн с ней полностью справиться не су­мел. Вначале он считал, что кванты света выбивают из молекул хлора электроны, которые и являются ак­тивными частицами. Далее электрон захватывается нейтральной молеку­лой хлора, так что она становится ак­тивной и способной к реакции с мо­лекулой водорода. В этой реакции образуются молекула НСl и новый свободный электрон. Обрыв цепи происходит, когда электрон захваты­вается молекулой примеси или стен­кой сосуда. Чем меньше размеры со­суда и чем ниже в нём давление, тем легче электрону добраться до стенки. Тем самым удалось объяснить не­обычное действие малых концентра­ций «посторонних» веществ, а также влияние материала и размеров сосу­да. Всё было хорошо, кроме одного: измерения электропроводности об­лучаемой светом реакционной сме­си показали, что никаких зарядов в ней не возникает и, следователь­но, никаких свободных электронов не образуется. Надо было искать дру­гие объяснения. 

Спустя три года Боденштейн при­думал новый механизм. Молекула хлора, поглотившая квант света, ста­новится настолько активной, что лег­ко реагирует с молекулой водорода. При продолжении цепи эта избыточ­ная энергия через возбуждённые мо­лекулы НСl снова передаётся молеку­лам Сl2. Здесь на помощь первичной энергии квантов света приходит энергия, выделяющаяся в каждом зве­не цепи. Если звёздочкой обозна­чить возбуждённые молекулы, схему энергетической цепи можно предста­вить так:



ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

Вторая и третья реакции повторяют­ся много раз, пока какая-нибудь воз­буждённая молекула не растратит бесполезно свою энергию и не обор­вёт цепь. Механизм энергетических цепей, хотя и не подтвердился для данной реакции, оказался верным для других процессов — с участи­ем фтора, открытых лишь полве­ка спустя!



ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

Горение водорода в хлоре. 

  

ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

 

 

Вальтер Нернст.

   

 

 

 

В 1918 г. немецкий физикохимик, лауреат Нобелевской премии Вальтер Нернст пред­ложил свой механизм этой ре­акции. Он предположил, что активными частицами являют­ся атомы водорода и хлора:

 

 

ЦЕПИ БОДЕНШТЕЙНА - НЕРНСТА

(Неспаренный электрон часто обо­значают точкой.) Обрыв цепей про­исходит, когда активные атомы Н или С1 реагируют с молекулами при­меси, либо «прилипают» к стенке со­суда, либо взаимодействуют между собой (рекомбинируют), превраща­ясь в неактивные молекулы Н2 и Сl2. Схема Нернста была подтверждена разными экспериментами. Один из самых остроумных провёл англий­ский физикохимик Майкл Поляни (1891 — 1976). В его опытах струя во­дорода проходила над слегка подогре­тым металлическим натрием и попа­дала в темноте в сосуд с хлором. Чистый водород с хлором при такой температуре не взаимодействует, но ничтожная примесь паров натрия полностью меняет дело: идёт быстрый

процесс образования хлороводорода. Здесь роль инициатора цепной реакции играет натрий: Nal2®NaCll. Аналогичные результа­ты Поляни получил для реакции хло­ра с метаном. В этом случае стадии продолжения цепи выглядели так:

 

В рассмотренных цепных реакци­ях участвуют «осколки» исходных молекул — активные частицы — Н, Сl, СН3. Такие частицы, в которых один из электронов не имеет для себя па­ры, и потому обладающие очень вы­сокой активностью, называются сво­бодными радикалами. Впервые мысль об их существовании высказал ещё в 1900 г. американский химик-орга­ник Мозес Гомберг (1866—1947), об­наруживший трифенилметильные радикалы (С6Н5)3С, которые впослед­ствии были названы его именем.

После работ Гомберга естествен­но возник вопрос: является ли трифенилметил исключением, или в свободном состоянии могут сущест­вовать и другие «осколки» молекул, например метил СН3, или даже от­дельные атомы — водорода, кислоро­да, серы и других элементов. Ответ на это дал в 1929 г. немецкий химик Фридрих Адольф Панет (1887— 1958), проведя со своим учеником Вильгельмом Хофедицем простой и красивый эксперимент. Газообраз­ный азот под небольшим давлением пропускали через склянку, на дне которой находился тетраметилсвинец (СН3)4Рb — тяжёлая очень ядови­тая жидкость. Азот насыщался её па­рами и с большой скоростью (от 12 до 16 м/с) проходил по длинной уз­кой трубке из жаростойкого кварце­вого стекла; отдельные участки труб­ки могли нагреваться до температуры разложения тетраметилсвинца — приблизительно 450 °С. Далее азот ув­лекал продукты разложения в ло­вушку, охлаждаемую до очень низкой температуры.

При нагреве одного из участков трубки — в точке 1 — в течение 1 — 2 минут на внутренней поверхности стекла образовался блестящий слой металла — свинцовое зеркало. После этого горелку передвинули в точку 2, продолжая слегка подогревать зерка­ло и в точке 1. Вскоре в точке 2 обра­зовалось новое свинцовое зеркало, но одновременно прежнее, в точке 1, исчезло. При этом в ловушке появил­ся тетраметилсвинец. Время исчезно­вения зеркала было прямо пропор­ционально количеству содержащегося в нём свинца и обратно пропорцио­нально скорости исчезновения зерка­ла в точке 1. Аналогичные результаты были получены с зеркалами из висму­та, цинка и сурьмы при использова­нии соответственно триметилвисмута (CH3)3Bi, диметилцинка (CH3)2Zn или триметилсурьмы (CH3)3Sb. Висму­товое зеркало в точке 1 исчезало и в

том случае, когда в точке 2 получали свинцовое зеркало, и наоборот. Если точка 2 оказывалась слишком далеко от точки 1, то металлическое зеркало там оставалось нетронутым; однако можно было добиться его исчезнове­ния, увеличив скорость потока газа че­рез трубку.

Этот замечательный опыт нагляд­но показал, что при распаде тетраметилсвинца действительно образуют­ся свободные метильные радикалы: (СН3)4Рb ®Н3b. В токе инерт­ного азота они могут «жить» некото­рое время, а исчезают либо за счёт рекомбинации, превращаясь в этан: 2СН3®С2Нб, либо реагируя с метал­лическим зеркалом: 4СН3b®(CH3)4Pb; 2CH3+Zn ®(CH3)2Zn

и т. д. Зная скорость газового потока и время исчезновения зеркала при разных расстояниях между точками 1 и 2, можно оценить время жизни метильных радикалов в свободном состоянии. По данным эксперимента­торов, концентрация метильных ра­дикалов в токе инертного газа при давлении 3•10-3 атм (300 Па) снижа­лась в два раза примерно за 0,006 с. После доказательства существова­ния свободных радикалов были изу­чены разнообразные реакции с их участием. Многие радикальные реак­ции оказались цепными, их меха­низм в общих чертах был сходен с наблюдаемым у реакции водорода с хлором. По цепному механизму протекают реакции расщепления при высоких температурах (пиролиз) уг­леводородов, например этана: С2Н6®С2Н42. Подобные процессы имеют большое значение при про­мышленной переработке утлеводородов нефти. Цепными оказались реак­ции окисления органических веществ кислородом, реакции присоединения к непредельным углеводородам гало­генов (хлора и брома), бромоводорода и других соединений, реакции по­лимеризации, ряд других процессов.


Источник: Мир Энциклопедий Аванта+
Авторы: Андрей Дроздов, Илья Леенсон, Дмитрий Трифонов, Денис Жилин, Александр Серов, Андрей Бреев, Андрей Шевельков, Вадим Ерёмин, Юлия Яковлева, Оксана Рыжова, Виктория Предеина, Наталья Морозова, Алексей Галин, Сергей Каргов, Сергей Бердоносов, Александр Сигеев, Оксана Помаз, Григорий Середа, Владимир Тюрин, Антон Максимов, Вячеслав Загорский, Леонид Каневский, Александр Скундин, Борис Сумм, Игнат Шилов, Екатерина Менделеева, Валерий Лунин, Абрам Блох, Пётр Зоркий, Александр Кури, Екатерина Иванова, Дмитрий Чаркин, Сергей Вацадзе, Григорий Серела, Анастасия Ростоцкая, Александр Серое, Анастасия Сигеева
Авторское право на материал
Копирование материалов допускается только с указанием активной ссылки на статью!

Похожие статьи

Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.