Реакция водорода с хлором идёт или при нагревании, или при освещении синим или ультрафиолетовым светом. И если нагревание или освещение будут слишком сильными, то смесь взорвётся (а вот смесь водорода с парами йода никогда не взрывается).
Тот же Боденштейн в 1913 году обнаружил поразительный факт: на один квант света, поглощённый хлором (водород свет не поглощает), может образоваться до миллиона молекул продукта — хлороводорода!
Для объяснения этого необычного факта был предложен (а затем доказан) цепной механизм реакции.
Работает этот механизм так. Под действием высокой температуры или света молекулы хлора распадаются на отдельные атомы: С12 = 2С1. Атомы хлора намного более активны, чем молекулы, и легко «откусывают» от молекул Н2 атомы Н. При этом образуется молекула продукта реакции — хлороводорода и ещё более активный атом водорода: CI + Н2 = НС1 + Н. Атом водорода, как и атом хлора, «живёт» ничтожные доли секунды, поскольку он со всех сторон окружён огромным количеством молекул хлора.
Поэтому он немедленно отрывает от «первой встречной» молекулы С12 атом С1. При этом образуется ещё одна молекула хлороводорода и… снова появляется очень активный атом хлора!
Н + С12 = НС1 + С1. Так возникает цепочка следующих друг за другом химических превращений.
А может ли единственная распавшаяся на атомы молекула хлора «переработать» все находящиеся в реакторе реагенты — водород и хлор, превратив их, одну за другой, в хлороводород? Теоретически может, а практически нет. Рано или поздно активные частицы — атомы водорода и хлора — могут «прилипнуть» к стенке сосуда и «выйти из игры».
В результате цепь обрывается.
Это легко происходит при низких давлениях, когда частицы в газе пролетают значительное расстояние, не встречаясь с другими частицами.
Если же давление велико, механизм обрыва другой: две активные частицы, столкнувшись, превращаются в неактивные молекулы. Изучение зависимости скорости этой реакции от давления хлора и водорода подтвердило этот механизм, а также было доказано, что обрыв цепей происходит при встрече атомов хлора: 2С1 = С12. Поскольку активность атомов водорода и хлора очень велика, они без «задержки» реагируют почти сразу после своего образования.
Но если ввести в реакцию даже самые малые количества веществ, способных реагировать с этими атомами так, чтобы новые активные частицы не возникали, то цепи начнут обрываться и реакция остановится. Таким веществом может служить кислород: реагируя с атомами водорода, он образует воду, а с атомами хлора даёт оксид хлора, не участвующий далее в реакции.
Такие вещества, тормозящие или вовсе останавливающие реакцию, называются ингибиторами (отлат.
inhibere — «сдерживать», «останавливать»).
Цепные реакции идут со взрывной скоростью во многих газовых смесях горючего вещества с кислородом или с воздухом. Взрыв происходит, например, при поджигании смеси природного газа с воздухом.
Потому-то так опасны утечки этого газа: ведь поджечь «гремучую смесь» может даже крохотная искорка в выключателе, когда зажигают или тушат свет! Другие цепные реакции, идущие с регулируемой скоростью, могут принести пользу.
По цепному механизму идут реакции синтеза многих полимеров, растворителей (в том числе ацетона), реагентов для получения моющих средств.
Именно поэтому так много усилий было направлено на изучение механизма цепных реакций. А вот ещё один очень важный пример сложного механизма реакции.
Известно, что в живых организмах в «мягких» условиях (невысокая температура, атмосферное давление) быстро и легко протекают такие реакции, которые в промышленности удаётся провести с большим трудом. Например, в молекуле азота N=N тройная связь исключительно прочная, разорвать её очень трудно.
Поэтому для того, чтобы связать атмосферный азот, превратить его в аммиак NH3, строят огромные колонны, в которых молекулы N2 и Н2 превращаются в молекулы NH3 при давлении 300 атмосфер и температуре 500 °С. Аммиак же нужен для производства удобрений, лекарств, полимеров и многих других веществ, содержащих азот. В то же время давно известно, что в природе в огромных количествах происходит биологическая азотфиксация — связывание атмосферного азота в аммиак (вернее, в ион аммония NH4). Протекает этот процесс в микроорганизмах, которые называются азотфиксирующими; они обитают в почве, в особых клубеньках на корнях, а иногда и на стеблях бобовых растений.
И эти организмы прекрасно справляются со своей работой при комнатной температуре и атмосферном давлении! Как же они это делают?
Главную роль в азотфиксации играет биологический катализатор — фермент, который называется нитрогеназой.
Все детали его работы пока неизвестны, но многое химики и биологи уже узнали. Стало очевидно, что при азотфиксации происходит множество реакций, потому что «напрямую» с молекулой азота не справиться.
И как для исполнения симфонии требуется большой оркестр, каждый участник которого исполняет свою партию и при этом внимательно слушает других, так же и для расщепления молекулы азота необходима слаженная работа множества сложно устроенных биохимических механизмов. Прежде всего, оказалось, что нитрогеназа состоит из двух белков, содержащих атомы железа и молибдена, и имеет молекулярную массу около 300 тысяч!
Но и это не всё. Для работы этого фермента требуется непрерывный приток энергии и электронов, которые поставляются другими молекулами.
В свою очередь, этот приток обеспечивается процессами дыхания и брожения в микроорганизмах, а иногда — и за счёт солнечного света. То есть здесь работает целый биохимический завод!
Если бы химики смогли воспроизвести в своих колбах этот процесс, а также множество других реакций, управляемых ферментами, мир изменился бы до неузнаваемости!