Математический анализ применительно к структурам химических веществ. Квантово-механические расчеты электронных состояний на поверхности кристаллов. Оптимизация технологических процессов в химическом производстве. Проектирование контактных аппаратов с помощью электронных машин. Абстрактные на первый взгляд, но на деле очень важные для науки и техники проблемы на стыке химии и математики.
Лаборатория химических проблем в математическом институте… Если бы все это видел Николай Семенович Курнаков! Он бы не нарадовался, глядя на племя современных Монжей, у которых свежесть взгляда и непредвзятость мышления, этот бесценный дар невозвратной юности, соперничает с деловитой уверенностью профессионалов, имеющих за плечами опыт и мудрость великих предшественников. А рядом, в четверти часа ходьбы по асфальтированной дорожке, вьющейся между стволами сибирских сосен, уже вздымались современные корпуса химических институтов, где — хотите верьте, хотите нет — я собственными глазами увидел молодых Бертолле, несущих курнаковскую эстафету. И вот что примечательно: даже привычному уху трудно отличить по манере разговаривать математиков, работающих в области химии, от химиков, работающих в области математики, — настолько общий у них язык, настолько крепко поднаторели они в методах и терминологии обеих наук.
До поры до времени «дела пробирные» обходились карандашом и клочком бумаги. Так было в эпоху Бертолле, так случалось и во времена Курнакова. А нынче химики запанибрата с мощной электронно-счетной техникой: не тот век, чтобы кичиться убожеством стародедовских способов, прикрываясь флагом традиционной скромности химиков в выборе технических средств.
Когда мы произносим слова «большая химия», перед глазами встают многозначные цифры планов, многошумные новостройки в «огнях и звонах», многоэтажные и многотрубные гиганты индустрии. Между тем история любого химического завода с его грохочущими машинами и клокочущими котлами начинается в тиши исследовательской лаборатории. Да, большая химия начинается с маленькой пробирки. Пробирка, над которой колдует экспериментатор, — это заводской аппарат в миниатюре. Именно здесь, в едва слышном бульканье реакционной смеси, чуткому уху слышится могучий ритм шумного и жаркого дыхания воздуходувок, печей, колонн, скрубберов, газгольдеров, труб, где непрерывно перемещаются многотонные массы жидкостей, многокубовые объемы газов.
Не только в химии крупномасштабному воплощению инженерного замысла предшествуют опыты с крошечными моделями. Сколько наблюдений над игрушечной копией «ТУ-104» было проделано в аэродинамических трубах, прежде чем дюзы могучего исполина огласили аэродромы зычным уверенным гулом!
Как же конструкторы переходят от одних масштабов к другим?
Чтобы превратить лилипута в Гулливера, обычно используется теория подобия. Результаты экспериментов с карликовой моделью пересчитывают по определенным уравнениям для всамделишного гиганта. Это очень эффективный метод, давно и хорошо зарекомендовавший себя в авиации, гидравлике, теплотехнике.
Увы, не в химии! Здесь при переходе к другим масштабам характер процессов, как правило, изменяется. Но отчего? Разве синтез того же аммиака в заводском аппарате описывается другим уравнением, нежели в лабораторной установке? Нет, и стехиометрия и характер равновесия остаются теми же самыми. Тогда, может статься, дают о себе знать какие-нибудь неучтенные тонкости процесса?
Что ж, давайте разберемся во всем по порядку.
Огонь, порождающий своего заклятого недруга — воду. Такому мог удивиться разве что Генри Кавендиш, который впервые наблюдал горение водорода в кислороде. А сегодня любой школьник запросто напишет незамысловатую реакцию: 2H2 + O2 = 2H2O. Простенькое уравнение, не так ли? Два объема водорода, один кислорода, и в итоге — два объема водяных паров. Берешь два исходных вещества, получаешь один конечный продукт.
Уравнение одно, но почему такие странные различия? В опытах Кавендиша над трубкой, из которой выходил водород, теплился едва заметный язычок пламени. Зато, если взять те же количества водорода и кислорода, но тщательно перемешать, получится гремучий газ. Если его поджечь, он взорвется.
Масштаб один — эффекты разные.
В годы первой мировой войны немецкое командование для бомбардировки Лондона и Парижа построило 123 дирижабля. Из них 40 было уничтожено противником. Стоило зажигательному снаряду угодить в оболочку воздушного пирата, как цеппелин, мгновенно вспыхнув, исчезал в огне и дыме. Оно и понятно: дирижабли заполнялись водородом. Небесное «аутодафе» не всегда сопровождалось взрывом: оболочка препятствовала перемешиванию водорода с воздухом. И, как в опыте Кавендиша, водород воспламенялся, но не взрывался.