Глазами Монжа-Бертолле

Разумеется, изучать детонацию в газах, когда кругом дребезжат стекла и рушатся потолки, не так уж здорово. Поэтому взрыв укрощают. Прозрачная трубка заполняется газообразной смесью горючего с окислителем. Если поджечь смесь с одного конца, фронт пламени быстро побежит внутри трубки вдоль ее оси. Но тут начинают продувать газовую смесь в противоположном направлении. Скорость подбирают так, чтобы колышущаяся пленка огня остановилась среди трубки. Перед нами самый обыкновенный огненный язычок! А по сути дела — взрыв, упрятанный в трубку.

Обнаружилось, что химические превращения протекают главным образом в тот миг, когда частицы газа пересекают тонкую наружную оболочку пламени. Он длится ничтожные доли секунды — стотысячные, а то и миллионные. Например, газы, подаваемые в горелку Бунзена со скоростью от 30 до 60 метров в секунду, переходя через границу пламени, достигают скоростей до 900 метров в секунду. Это в два с половиной раза резвее звука! А при взрывах фронт пламени может распространяться со скоростью от 1800 до 2500 метров в секунду.

Как же человек проник в этот быстротекущий огненный круговорот, чтобы раскрыть вековечные тайны Прометеева дара?

Заморозить пламя — на первый взгляд это выглядит парадоксальным. И все же, если внезапно охладить до минус 100 градусов зону, где только что началось горение, удается остановить реакцию в самом ее разгаре. И выходцы из призрачного мира огня потрясли ученых своей необычностью. Чего тут только не нашли! Например, в углеводородном пламени одних перекисей углерода целую компанию: CO₃, CO₄, даже CO₅.

Можно, конечно, обойтись и без вмешательства Деда Мороза. Теоретически удается рассчитать длины волн, которые должны испускаться обломками молекул. Например, CH дает фиолетовое свечение, CC — зеленое.

По характерным линиям в спектре были обнаружены также HCO, OH и другие осколки.

Как видно, мир углеводородного пламени еще более экзотичен, чем просто водородного.

Уж коли формулы-простушки: H₂ + Cl₂ = 2HCl и 2H₂ + O₂ = 2H₂O на поверку выходят далеко не бесхитростными, можно себе представить, насколько сложнее внутренний механизм такой, к примеру, реакции: 2C_nH_2n+2 + (3n + 1)O₂ = 2nCO₂ + (2n + 2)H₂O. Это уравнение описывает горение насыщенных углеводородов, скажем, вещества свечи. Вернее, не сам процесс, а его пролог и эпилог.

Как и у любого другого уравнения реакции, здесь в левой части — сумма исходных реагентов. В правой — конечных продуктов. Старт и финиш, как на аэродроме. И как на командировочном удостоверении штампы убытия и прибытия ничего не говорят о ваших путевых приключениях, так и здесь из уравнений видны лишь состояния в начальной и конечной стадиях. А между ними — дистанция огромного размера! Огромного, хотя вещества и проходят ее порой за ничтожные доли секунды. Сколько промежуточных соединений, сколько побочных процессов заключает в себе этот коротенький временной интервал!

Задача — пробраться за кулисы химического уравнения. На очереди — химия горячая и химия стремительная.

Именно учение о кинетике сосредоточило внимание исследователей на тонкостях химического взаимодействия, которые так долго ускользали из поля зрения ученых.

Без познания сокровенного механизма реакций было бы немыслимо создание ракетных и реактивных топлив и двигателей. Тот же «ТУ-104» не поднялся бы в воздух, не будь теории горения, созданной академиком Семеновым и его школой. В современной химической технологии тоже все большее значение приобретают процессы, идущие с большими скоростями и при высоких температурах.

Реактивный двигатель, во всяком случае прямоточный, — это, по существу, горелка Бунзена, разве что увеличенная до громадных размеров. Воздух нагнетается в смеситель с ураганными скоростями — 60 метров в секунду и выше. Но еще стремительнее (900 метров в секунду) выстреливаются из хвостового сопла выхлопные газы, возникающие при сгорании распыленного топлива. Неравенство давлений на выходе и входе, развивающееся в процессе реакции, толкает самолет, а горелку прижимает к столу. Изучение пламени горелки привело к интересным и важным практическим выводам.

Посмотрите на пламя свечи или лабораторной горелки. У него четкая внутренняя структура. Всегда можно различить темный внутренний конус, бледную поверхностную оболочку и более яркую промежуточную зону. В каждой области образуются свои вещества. Порой такие, которые в обычных условиях получить невозможно. А главное — с огромными скоростями! Если удлинить реакционные зоны пламени, то можно извлекать из них промежуточные продукты.

Допустим, в трубе сжигают смесь газообразных углеводородов. Тогда на одном участке будет возникать этилен, на другом — ацетилен, на третьем — сажа. Все три — ценнейшее химическое сырье. Их можно отсасывать из пламени — достаточно пристроить к камере сгорания трубы с водяным охлаждением.