Читать онлайн «Занимательно о химии». Страница 20

Чтобы человек мог произнести, например, слово «секунда», в его мозгу должны совершиться многие химические процессы. Мы говорим, думаем, радуемся, печалимся — и за всеми этими действиями скрываются миллионы химических реакций. Они проходят для нас незримо, но огромную массу химических взаимодействий мы наблюдаем ежедневно, походя, совершенно не вдумываясь в их содержание.

…Бросили в крепкий чай кружочек лимона — и цвет напитка бледнее, чиркнули спичкой — и загорелся деревянный стержень, дерево превратилось в уголь.

Все это химические реакции.

Первобытный человек, который научился разжигать костер, был и первым химиком. Он по своему желанию осуществил первую химическую реакцию — реакцию горения. Самую нужную, самую важную в истории человечества.

Она давала нашим далеким предкам тепло, обогревала их жилища в холодные дни. В наше время она открыла путь в космос, подняв в небо многотонные ракеты. Легенда о Прометее, подарившем людям огонь, в то же время и легенда о первой химической реакции.

Когда простые или сложные вещества вступают во взаимодействие друг с другом, они обычно дают знать об этом.

Бросьте в раствор серной кислоты кусочек цинка. Моментально от него побегут пузырьки газа, а пройдет некоторое время — и металлическая стружка исчезнет. Цинк растворится в кислоте; при этом будет выделяться водород. Как все происходило, вы видели своими глазами.

Или подожгите комок серы. Он загорится голубоватым пламенем, и вы почувствуете удушливый запах: сера соединилась с кислородом и образовала химическое соединение — сернистый ангидрид.

Стоит смочить белый порошок безводной сернокислой меди CuSO ₄водой, как он синеет. Соль соединилась с водой, и образовались синие кристаллы медного купороса CuSO ₄ · 5H ₂O. Вещества такого вида называются кристаллогидратами.

Вам знаком процесс гашения извести? Негашеную известь обливают водой, получается гашеная известь Ca(OH) ₂. Цвет вещества не изменился, но легко удостовериться, что реакция прошла. Как? При гашении извести выделяется много тепла.

Первое непременное условие всех до единой химических реакций: они идут с выделением или поглощением тепловой энергии. Иногда тепла выделяется так много, что это легко обнаружить на ощупь. Если мало, то помогают специальные методы измерения.

Страшная это штука — взрыв. Страшная потому, что взрыв происходит мгновенно. В считанные доли секунды.

А что такое взрыв? Самая обыкновенная химическая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества газов. Пример моментально протекающего химического процесса. Скажем, горение пороха в патронной гильзе. Или взрыв динамита.

Взрыв — все-таки своего рода крайность. Большинство реакций проходят в более или менее продолжительные промежутки времени.

Течение многих реакций вроде бы и не удается обнаружить.

…В стеклянном сосуде смешаны два газа — водород и кислород, составные части воды. Сосуд может стоять сколько угодно: месяц, год, сто лет. Однако на поверхности стекла не видно ни единой капельки влаги. Похоже, что водород вовсе не соединяется с кислородом. Да нет, соединяется. Только чрезвычайно медленно. Чтобы на донышке сосуда образовалось чуть заметное количество воды, должны пройти тысячелетия.

В чем дело? В температуре. При комнатной температуре (15–20 градусов) водород и кислород взаимодействуют, но чрезвычайно медленно. Однако стоит нагреть сосуд, как его стенки запотевают: верный признак протекающей реакции. При 550 градусах сосуд разлетится на мелкие осколки: при такой температуре водород и кислород реагируют со взрывом.

Почему же тепло так ускоряет течение этого химического процесса, заставляет черепаху двигаться со скоростью молнии?

Водород и кислород в свободном виде существуют в форме молекул Н ₂и О ₂. Чтобы соединиться в молекулу воды, они должны столкнуться. Чем чаще такие столкновения, тем с большей вероятностью образуется молекула воды. При комнатных температуре и давлении каждая молекула водорода сталкивается с молекулой кислорода… более десяти миллиардов раз в секунду. Если бы любое столкновение приводило к химическому взаимодействию, реакция прошла бы быстрее взрыва: за одну десятимиллиардную долю секунды!

Но мы не заметим в нашем сосуде никаких изменений ни сегодня, ни завтра, ни через десять лет. В обычных условиях очень редкое столкновение приводит к химической реакции. И секрет в том, что сталкиваются молекулы водорода и кислорода.

Прежде чем вступить в реакцию, они должны распасться на атомы. Точнее говоря, валентные связи между атомами кислорода и атомами водорода в их молекулах должны ослабнуть. Ослабнуть настолько, чтобы не препятствовать объединению разнородных атомов водорода и кислорода. Температура и играет роль кнута, подстегивающего реакцию. Она во много раз увеличивает число столкновений. Она заставляет молекулы сильнее колебаться, и это ослабляет валентные связи. А когда водород и кислород встречаются на атомном уровне, то реагируют мгновенно.

Вообразим себе такую картину.

Не успели мы смешать водород с кислородом, как моментально появились пары воды. Едва железная пластинка пришла в соприкосновение с воздухом, как тут же покрылась рыжеватыми разводами ржавчины, а минуло еще немного времени, и твердый блестящий металл превратился в рыхлый порошок окисла.

Все до единой химические реакции в мире стали протекать с завидной скоростью. Все молекулы начали реагировать друг с другом независимо от того, какой энергией они обладают. Каждое столкновение двух молекул приводило к вступлению их в химический союз.

На Земле исчезли металлы — они окислились. Сложные органические вещества, в том числе и те, что входят в состав живой клетки, превратились в простые, но более устойчивые соединения.

Странный мир получился бы тогда. Мир без жизни, мир без химии, фантастический мир очень устойчивых соединений, не имеющих никакого желания вступать в химические взаимодействия.

К счастью, такой кошмар нам не грозит. На пути всеобщей «химической катастрофы» стоит чудесный барьер.

Этот барьер представляет собой так называемую энергию активации. Чтобы молекулы смогли вступить в химическую реакцию, их энергии должны быть не меньше соответствующих величин энергии активации.

Даже при обычной температуре, например, среди молекул водорода и кислорода отыщутся такие, у которых энергия равна энергии активации или больше ее. Потому-то образование воды идет в этих условиях, хотя и чрезвычайно медленно. Просто слишком мало достаточно энергичных молекул. А высокая температура приводит к тому, что активационного барьера достигают многие молекулы, и число актов химического взаимодействия водорода и кислорода возрастает в огромной степени.

У медицины есть свой символ, дошедший до нас из очень отдаленных времен. И сейчас, скажем, на погонах военных врачей можно увидеть змею, обвившуюся вокруг чаши.

Оказывается, нечто подобное есть и у химии. Это змея, кусающая свой хвост.

У древних народов существовал культ всевозможных мистических знаков, смысл которых затрудняются объяснить современные историки.

Мистика мистикой, а в «химическую змею» вложено вполне определенное содержание. Она символизирует обратимую химическую реакцию.

Два атома водорода и атом кислорода, соединяясь, дают молекулу воды. Одновременно другая молекула воды распадается на составные части. В одно и то же мгновение протекают две противоположные реакции: образование воды (прямая реакция) и ее распад (обратная реакция). Химик, желая отобразить на бумаге эти два противоречивых процесса, напишет: 2H ₂ + O ₂