Закони Сванте Арреніуса
Ще зі школи всі знають, що швидкість хімічних реакцій зростає зі збільшенням температури і навпаки, що нижча температура, то менша швидкість реакцій. Ці закони Сванте Арреніуса були введені в ранг фундаментальних в 1889 році і заклали основи одного з найважливіших розділів хімії – хімічної кінетики, що вивчає швидкості та механізми реакцій.
Щоб вступити в реакцію (з'єднатися), атоми чи молекули мають зійтися якомога ближче. Але зробити це їм заважають електричні сили відштовхування, що діють між однойменно зарядженими електронними оболонками атомів та молекул – так званий потенційний бар'єр. Його можна подолати лише перестрибнувши. Але зробити це вдається лише тим часткам, які мають достатню для цього енергію, – вона називається енергією активації. Її ми й надаємо частинкам, нагріваючи реагуючі суміші. Чим сильніше нагріта суміш, тим активніше поводяться частинки, все з більшою легкістю перестрибуючи через бар'єри, що відокремлюють їх один від одного. І, навпаки, поблизу абсолютного нуля температури (-2730С) тепловий рух атомів і молекул завмирає, а отже, і швидкість будь-якої хімічної реакції прямує до нуля.
Закони Сванте Арреніуса були підтверджені тисячами дослідів у найширшому діапазоні температур, доки вчених не зацікавили енергетичні ланцюгові реакції за низьких температур.
Прикладом таких реакцій є полімеризація – утворення довгих ланцюжків, що складаються з множини однакових ланок молекул-мономерів. Перший акт реакції - зародження ланцюга - починається з того, що у вихідній молекулі-мономері розривається один або кілька хімічних зв'язків. Щоб розірвати хімічний зв'язок, потрібна енергія. Тому перший акт реакції полімеризації є процес ендотермічний, тобто що йде з підведенням енергії ззовні. Завдяки цьому, молекула може приєднати до себе таку саму молекулу. В результаті приєднання чергової молекули до ланцюга тут відбувається вже виділення енергії – зростання ланцюга є екзотермічним процесом. Енергія передається від ланки до ланки. Потрібно лише "піднести сірник", дати перший поштовх ланцюговому процесу.
Але чи встоять закони Сванте Арреніуса, якщо суміш реагентів перебуває при низькій температурі, а енергію для запалу реакції підвести у вигляді порції іонізуючого випромінювання? Для експериментів використовували формальдегід, заморожений до температури рідкого гелію 40К (-2690С) і опромінювали його за допомогою радіоактивного кобальту-60. Результат виявився абсолютно безперечним – окремі молекули формальдегіду поєднувалися у довгі полімерні ланцюги! На підтвердження цього вчені виміряли кількість енергії випромінювання, що передається речовині, і підрахували кількість ланок у полімерному ланцюжку. З'ясувалося, що на кожні 100 електрон-вольт витраченої енергії у полімер з'єднувалося до 1000 молекул, тоді як у простих, не ланцюгових реакціях їх буває не більше двох-трьох на ту ж кількість витраченої енергії. Значить, іонізуюче випромінювання і справді лише "підпалює" реакцію, яка далі йде сама собою.
При цьому виявилося, що енергії, вивільненої в момент приєднання ланки до ланцюга, явно мало, щоб наступна молекула могла підійти до ланцюга на необхідну відстань і приєднатися до неї. Тоді яким чином молекули з'єднуються, долаючи потенційний бар'єр?
Справа в тому, що закони Сванте Арреніуса перестають бути справедливими за дуже низьких температур: –100К. Швидке падіння швидкості хімічних реакцій у міру зниження температури поступово сповільнюється, а потім швидкість стає практично постійною! А здолати потенційний бар'єр молекулі допомагають закони квантової механіки: молекула може перейти не лише поверх бар'єру, а й... крізь нього! Фізики знають, що просочуватися (тунелювати) можуть порівняно малі за розмірами частинки - електрони, нуклони, уламки ядер. Тут же йдеться про справжні мастодонти – величезні в порівнянні з ядрами органічні молекули. Імовірність тунельних переходів через їхню велику масу дуже мала. Вони починають тунелювати лише за дуже низьких температурах, коли звичайні надбар'єрні переходи виявляються неможливими.
Можливо, незважаючи на закони Сванте Арреніуса, десь у космосі подібним чином відбувається синтез складних білкових ланцюгів макромолекул і таким чином зароджується нове життя.
