Процессов, зависящих от воли случая, немало. Например, количество пассажиров колеблется от рейса к рейсу. Их распределение внутри салона воздушного корабля тоже (если, конечно, кассир продает билеты не по порядку). Скорость и высота полета, время старта, точность приземления — словом, все, на чем основана точность расписания, зависит и от капризов погоды. Тем не менее нарушение графика воздушных сообщений — исключение. Как правило, все идет нормально. Ибо мы умеем предвосхитить отклонения от среднего статистического значения и предпринять контрмеры.
Режим работы химического аппарата тоже подвержен случайностям. Начать хотя бы с того, что в смеси реагентов царит несусветный хаос, тогда как в обществе пассажиров на борту самолета порядок. Здесь и речи не может быть о каком-то разумном регулировании режима самими частицами. Если в салоне пассажиры охотно выполняют пожелание экипажа более рационально распределиться по свободным местам, чтобы увеличить устойчивость быстрокрылой махины, то атомы и молекулы не пойдут ни на какие уговоры. Они слепо подчиняются лишь законам физики. Но эта-то слепота и помогает математикам!
Да, частицы не сидят на месте, а мечутся в беспорядке, сталкиваясь друг с другом. Да, ни одна из них в таких условиях не может сохранять свою скорость постоянной. Да, при каждом соударении кинетическая энергия перераспределяется между двумя столкнувшимися молекулами. И все же в этом хаосе царят свои законы.
Число молекул огромно. Не сто, не тысяча, не миллион. Даже в колбе их миллиарды миллиардов. Именно это позволяет применять к системам из такого большого числа частиц теорию случайных процессов. Заметные отклонения от статистического среднего значения здесь настолько несущественны, что выводы теории вероятностей обретают силу закона. Например, можно точно рассчитать, какая доля молекул обладает наиболее вероятной скоростью и насколько другие отклоняются от этого значения. Куда точнее, чем случайное распределение величин в условиях того же самолета.
А это очень важно для математических расчетов скорости реакций.
Скорость реакции… Минули столетия, прежде чем позеленела и рассыпалась в прах бронза старинных мечей. А геохимические процессы тянутся миллионы лет. Зато взрывы настолько кратковременны, что глазом не успеешь моргнуть, как они уже закончились. От того, сколько дней будет затвердевать цемент, зависит срок пуска сооружений. Когда жизнь человека висит на волоске, вся надежда порой на скорость действия медицинского препарата.
Быстрота химического превращения веществ — едва ли не самая главная характеристика любого технологического процесса.
Кому нужен огромный реактор, выдающий продукцию в час по чайной ложке? С другой стороны, если процесс начинает спешить, превышая дозволенный предел, нависает угроза аварии. Вот почему так важно знать, с какой скоростью протекает реакция и как добиться желанного технологического режима.
Скорость химического превращения, мы уже знаем, зависит от концентрации реагентов.
Чтобы частицы прореагировали, они должны сблизиться. Для газовой смеси это не проблема. Там за секунду происходят десятки миллиардов столкновений. Продолжительность каждого соприкосновения ничтожно мала. Но период обращения электрона вокруг атомного ядра еще меньше. Он относится к промежутку между соударениями, как день к столетию. Так что есть время дождаться, пока юркий электрон соблаговолит перескочить с атома на атом, чтобы образовать валентную связь. Поляризуемость молекул еще больше удлиняет время контакта, пребывания одной частицы в электрическом поле соседней.
Разумеется, не всякое сближение приводит к заключению химического союза. Однако чем чаще столкновения, тем выше вероятность взаимодействий. Ведь в более густой толпе толкучка сильнее.
По мере того как образуется новое соединение, толпа молекул зачастую редеет. Например, после каждого элементарного акта взаимодействия 2H2 + O2 = 2H2O вместо трех молекул образуются две. А в реакции N2 + 3H2 = 2NH3 две из четырех. Чтобы повысить концентрации реагирующих веществ и увеличить выход продукта, приходится прибегать к повышенному давлению. Равновесие тотчас же смещается так, чтобы ослабить внешнее воздействие: концентрация исходных веществ падает, зато конечного продукта прибавляется.
Однако если бы скорость химического превращения зависела лишь от концентрации реагентов, на Земле начались бы довольно странные вещи. Представьте себе, что вдруг ни с того ни с сего вспыхнула книга, которую вы читаете. Или стул, на котором вы сидите. Расческа, которая лежит у вас в кармане. Этого не происходит. Даже бензин преспокойно стоит в бачке, не угрожая пожаром. Между тем, казалось бы, созданы все условия для реакции: кислорода предостаточно, а бумаге, дереву, целлулоиду, бензину горючести не занимать. Но нет, недаром книжка Рея Брэдбери называется «451° по Фаренгейту» (примерно 230 градусов по Цельсию). Лишь при такой температуре воспламеняется бумага.