Верижната реакция
е последователност от
химични
или
ядрени
превръщания, при които един или няколко от крайните продукти на реакцията предизвикват последващо встъпване на неутрални
ядра
или
молекули
в нея. Във верижната реакция положителната
обратна връзка
води до самоусилваща се поредица от събития.
Верижните реакции представляват един от начините, по които системите, които не са в
термодинамично равновесие
, могат да освобождават енергия или да увеличават
ентропията
си, за да постигнат състояние на по-висока ентропия. Например, дадена система може да не е способна да постигне по-ниско енергийно ниво чрез отделяне на енергия в околната среда, тъй като е възпрепятствана по някакъв начин от поемане на пътя, който води до освобождаване на енергията. Ако се произведе реакция, освобождаваща малко енергия и проправяща път за повече освобождаване на енергия в разширяваща се верига, тогава система обикновено би се сринала експлозивно, докато повечето от съхранената енергия се освободи.
Макроскопична
метафора
за верижна реакция е снежна топка, която постепенно нараства, докато накрая се образува
лавина
. Това се дължи на съхранявана гравитационна потенциална енергия, търсеща път за освобождаване чрез триене. Химическият еквивалент на снежната лавина е искра, причиняваща горски пожар. В ядрената физика един-единствен разсеян неутрон може да доведе до бързо критично събитие, което може да се окаже достатъчно енергийно за ядрен взрив.
Много верижни реакции могат да бъдат изразени чрез
математически модел
, базиран на
Марковски вериги
.
През 1913 г. немският химик
Макс Боденщайн
първи предлага идеята за химични верижни реакции. Ако две молекули реагират, образуват се не само молекули от последната реакция, но също и някои нестабилни молекули, които могат допълнително да реагират с първоначалните молекули с далеч по-голяма вероятност, отколкото първите реагенти.
През 1918 г.
Валтер Нернст
предполага, че
фотохимичната
реакция между
водород
и
хлор
е верижна реакция, за да обясни т.нар.
квантова печалба
. Това означава, че един фотон светлина е отговорен за образуването на 10
6
молекули продукт
хлороводород
. Нернс предполага, че фотонът разлага молекулата Cl
2
на два Cl атома, като всеки от тях започва дълга верига от реакционни етапи, образуващи HCl.
[1]
През 1923 г. учените
Кристиан Кристиансен
и
Ханс Крамерс
, в анализ на образуването на полимерите, отбелязват че такава верижна реакция не е нужно да започва с молекула, възбудена от светлина, но може да започне и от две молекули, сблъскващи се поради термална енергия.
[2]
Кристиансен и Крамерс забелязват също, че ако в едно звено от реакционната верига се произведат две или повече нестабилни молекули, реакционната верига би се разклонила и би се разраснала. Всъщност, резултатът е експоненциален растеж, който поражда експлозивно покачване на
скоростта на реакцията
. Това е първото предложение за механизма на химическите взривове.
Теория за количествена верижна химична реакция е създадена по-късно от съветския физик
Николай Семьонов
през 1934 г.
[3]
През 1956 г. Семьонов споделя
Нобелова награда за химия
със
Сирил Хиншълуд
, който независимо разработва много от същите количествени идеи.
[2]
Основните типове етапи във верижната реакция са следните:
[1]
- Започване (образуване на активни частици или верижни носители, често
свободни радикали
в термален или фотохимичен стадий).
- Разпространение (може да е съставено от няколко елементарни етапа в цикъл, при които активната частица чрез реакция образува друга активна частица, която продължава верижната реакция). Всъщност, активната частица служи като
катализатор
за общата реакция на цикъла на разпространение. Частни случаи са:
- ? разклоняване на веригата (етап на разпространение, при който се образуват още нови активни частици);
- ? верижен трансфер (етап на разпространение, при който активната частица е нарастваща
полимерна
верига, която реагира, за да образува неактивен полимер, чийто растеж завършва, а активна малка частица (като свободен радикал) тогава може да реагира, за да образува нова полимерна верига).
- Край (етап, при който активната частица губи активност, например чрез рекомбинация на два свободни радикала).
Дължината на веригата
се определя като среден брой повтаряния на цикъла на разпространение и е равна на общата скорост на реакцията, разделена на скоростта на започването ?.
[1]
Реакцията H
2
+ Br
2
→ 2 HBr продължава чрез следния механизъм:
[4]
[5]
- Br
2
→ 2 Br? (термално) или Br
2
+ hν → 2 Br? (фотохимично)
- всеки атом Br е свободен радикал, обозначен със символа ≪ ? ≫
- Разпространение (тук цикъл от два етапа)
- Br? + H
2
→ HBr + H?
- H? + Br
2
→ HBr + Br?
- сумата на тези два етапа съответства на общата реакция H
2
+ Br
2
→ 2 HBr, с катализа чрез Br?, който участва в първия етап и се регенерира във втория етап
- H? + HBr → H
2
+ Br?
- този етап е частен случай на този пример и съответства на първия етап на разпространение наобратно
- рекомбинация на два радикала, което в този пример съответства на започването наобратно
Реакцията 2 H
2
+ O
2
→ 2 H
2
O предоставя пример за разклоняване на веригата. Разпространението е следствие на два етапа, чийто чист ефект е да се замени атом H с друг атом H плюс два OH радикала. Това води до взрив при определени условия на температура и налягане.
[6]
- H + O
2
→ OH + O
- O + H
2
→ OH + H
Ядрената верижна реакция е предположена от
Лео Силард
през 1933 г., малко след като е открит
неутрона
, но и пет години преди откриването на
ядреното делене
. Силард знае за химичните верижни реакции и е запознат с
ядрената реакция
, произвеждаща енергия и включваща високоенергийни
протони
, бомбардиращи
литий
, която е демонстрирана от
Джон Кокрофт
и
Ърнест Уолтън
през 1932 г. Силард предлага използването на неутрони, теоретично произведени от определени ядрени реакции в леки изотопи, за да се предизвикат по-нататъшни реакции в леки изотопи, произвеждащи още неутрони. Той не предполага за деленето, като част от реакциите за произвеждане на неутрони, тъй като то все още е непознато по това време. Опитите с
берилий
и
индий
, които предлага, се провалят.
По-късно, след като ядреното делене е открито през 1938 г., Силард осъзнава възможността за използването на ядрената реакция за създаване на верижна реакция, докато деленето произвежда неутрони. През 1939 г. той и
Енрико Ферми
доказват тази реакция на
урана
, при която неутроните се множат. В тази реакция неутрон плюс делим атом причинява делене, което води до по-голяма брой неутрони от единствения, който е използван за започване на реакцията. Така се ражда идеята за ядрена верижна реакция. Това се оказва саморазпространяваща се и самоподдържаща се верижна реакция. Този принцип се използва в
атомните реактори
и
атомните бомби
.
Демонстрация на самоподдържащата се ядрена верижна реакция е направена за пръв път от Енрико Ферми и други в края на 1942 г. в експеримента
Чикагски куп-1
, което е и първият ядрен реактор, създаден от човека.