Некоторые реакции сравнительно легко «повернуть вспять». Например, при высокой температуре идёт реакция СаСO3 = СаО + СO2, а при низкой — обратная ей реакция СаО + СO2 = СаСО3.
При горении водорода образуется вода: 2Н2 + O2 = 2Н2O.
Но если воду (в виде её паров) очень сильно нагреть, она снова разложится на водород и кислород. Эти же газы можно получить, если через воду при обычной температуре пропустить постоянный электрический ток. Значит ли это, что любую реакцию, изменив условия, можно заставить идти в обратном направлении?
Возьмём в качестве примера горение обычной спички.
Вот ею чиркнули о коробок.
Появилось пламя, запахло «серой».
При горении произошла химическая реакция (на самом деле не одна реакция, а много).
Процесс начался под действием трения, когда спичкой чиркнули о Коробок. Сначала загорелся красный фосфор, который был на спичечной коробке.
Фосфор, дающий при горении высокую температуру, поджёг смесь серы и бертолетовой соли в спичечной головке, а головка уже подожгла древесину, пропитанную около головки воском, чтобы она лучше загоралась.
Вместо сгоревшей спички остался уголь; кроме него образовались и не видимые глазом новые вещества: сернистый газ, углекислый газ. Можно ли из всех этих веществ снова получить спичку? Очевидный ответ — нельзя.
Нельзя заставить идти «справа налево» и каждую из прошедших реакций, например горения фосфора: 4Р + 5О2 = 2Р2О5. Эта реакция необратимая.
Почему так происходит? Можно ли здесь выявить какие-то закономерности?
Как мы знаем, общим для всех химических реакций является неизменность атомов.
Они лишь переходят в ходе реакции от одного вещества к другому.
В реакции горения спички (вернее, в реакциях, так как их много) все атомы, которые были в составе спички, перешли в продукты реакции.
При этом общее число атомов каждого химического элемента (водорода, кислорода, углерода, серы и других) в составе спички в точности равно числу атомов этих элементов в продуктах горения.
Например, все атомы хлора в составе бертолетовой соли (хлората калия КСlO3) перешли в один из продуктов реакции — хлорид калия КС1; в него же, скорее всего, перешли и все атомы калия.
А при сгорании серы все её атомы перешли в состав сернистого газа: S + O2 = SO2 (этот газ — один из основных компонентов неприятного запаха сгоревшей спички), а атомы фосфора перешли в состав его оксида. А что происходит при горении основной массы спички, состоящей в основном из целлюлозы?
Целлюлоза имеет состав С6Н10О5. Известно, какие продукты образовались при её сгорании — это вода, углекислый газ и уголь.
Нетрудно записать уравнение реакции горения целлюлозы и подобрать к нему коэффициенты: С6Н10О5 + 6O2 = 6СO2 + 5Н2O.
Очевидно, что и эта реакция необратимая: из углекислого газа и воды, как эту смесь ни нагревать, чем бы ни облучать, целлюлозу не получишь!
Значит, «правильно» записанное (то есть с выполнением закона сохранения атомов) уравнение реакции ничего не говорит о том, будет ли она обратимой или нет. Не говорит оно и о том, возможна ли данная реакция.
Итак, прежде чем взяться за получение новых веществ, химикам необходимо было научиться кое-что предсказывать.
И тут возникают вопросы двух типов.
Первый из них такой: можно ли узнать теоретически, не проводя экспериментов, возможна ли данная реакция, пойдёт ли она, если смешать те или иные реагенты? И что нужно сделать, чтобы она пошла (можно, например, изменять давление и температуру, вводить катализаторы, освещать смесь ультрафиолетом…
)? Требуется также знать, пройдёт ли реакция до конца или остановится вскоре после начала. А если остановится, то на какую глубину пройдёт при данных условиях.
А вот вопросы другого типа. Почему одни реакции идут очень быстро (многие реакции горения), другие — медленнее (растворение железа в кислоте) или даже очень медленно (превращение виноградного сока в вино или уксус, ржавление железа и др.)? Что можно сделать, чтобы ускорить нужные реакции, а ненужные замедлить?
И, наконец, самый сложный вопрос. Вот у нас есть точный план, молекулярная конструкция каких-то веществ.
И мы знаем, как устроено вещество, которое нам нужно получить.
Сможем ли мы его синтезировать и как? Сможем ли из природного газа метана СН4 и кислорода воздуха O2 получить очень важный для химической промышленности метиловый спирт СН3ОН?
Ведь это не детали в конструкторе, которые можно разъединить, а потом собрать из них что-то новое.
Значит, реакции идут как-то иначе. А как? Дело в том, что правильно расставленные коэффициенты в уравнении реакции (например, С6Н10О5 + 6O2 = 6СО2 + 5Н2O) ничего не говорят о механизме процесса.
Они показывают только, в каких соотношениях вступают в реакцию исходные вещества и образуются продукты реакции. Самый же трудный вопрос, который может возникнуть по поводу реакции горения целлюлозы (а также почти любой другой реакции), заключается в том, каким же образом исходные вещества (реагенты) превращаются в продукты реакции.
Каков их механизм? Можно ли указать, какой атом куда «пошёл» и какими путями к своей цели «пришёл»?
Что происходит в тот промежуток времени, когда исходные вещества превращаются в продукты реакции?
В ходе любой химической реакции изменяется взаимное расположение атомов, то есть порядок, в котором они друг с другом связаны. Но что происходит с атомами, когда они переходят из одного вещества в другое?
Как они «отсоединяются» друг от друга и соединяются вновь — уже в другом порядке?