НО× + ×Н + М ® Н2О + М* реакция обрыва цепи
Символ химического элемента с точкой означает, что атом или радикал содержит неспаренный электрон. Символами М и М* обозначены невозбужденные и возбужденные атомы, молекулы, которые обмениваются энергией с реагентами, но сами не претерпевают химических превращений.
Смесь водорода с кислородом может находиться сколь угодно долго без каких-либо химических изменений. Такие случаи соответствуют метастабильному состоянию реагентов (рис. 49). Для выхода смеси водорода с кислородом из метастабильного состояния бывает достаточно искры или открытого пламени. Такое воздействие вызывает появление реакционноспособных атомов водорода ×Н и малоактивных пероксирадикалов НОО× в реакции зарождения цепи. Атомы ×Н инициируют развитие процесса горения, т.е. вызывают поток превращений исходных веществ в реакциях разветвления и продолжения цепи. Горение идет до тех пор, пока не израсходуются реагенты. Реакция обрыва цепи представляет собой реакцию рекомбинации атомов и радикалов. Выше представлен один из вероятных путей «гибели» активных частиц.
Рис. 49. Механическая модель метастабильного и стабильных состояний системы
Для инициирования цепной разветвленной реакции достаточно в идеальном случае одного элементарного химического акта образования активной частицы на стадии зарождения цепи. Последующие реакции разветвления и продолжения цепи становятся самоподдерживающимися. В этих реакциях свободные атомы и радикалы не просто воспроизводятся. Количество атомов и радикалов нарастает в пространстве и во времени (рис. 50). Сложение простых реакций разветвления, продолжения и обрыва цепи приводит к результирующей сложной реакции:
2Н2(г) + О2(г) = 2Н2О(г).
Горение водорода демонстрирует сложность химических реакций.
Механизм химической реакции есть совокупность последовательно и параллельно протекающих элементарных химических актов. Они обеспечивают превращение исходных веществ в конечные продукты. На рис. 50 представлены элементарные химические акты, в ходе которых «перерабатываются» молекулы водорода и кислорода в продукты реакции.
Рис. 50. Модель разветвленной цепной реакции окисления водорода кислородом
Элементарный химический акт совершается в один акт, в одно действие. Результатом столкновения микрочастиц является химическое превращение, Например, реакция Н× + О2 ® НО× + ×О× есть элементарный химический акт.