Дистилляция — один из методов получения очищенных жидкостей

Дистилляция - один из методов получения очищенных жидкостейЧасто химики действовали по аналогии — на основании своего предыдущего опыта или процессов, описанных коллегами в научных журналах или в личных письмах (когда-то личная переписка между учёными была важной частью научной работы). Соответственно, учебники химии несколько напоминали учебники ботаники или зоологии: сплошное описание. Один из учеников Эрнеста Резерфорда физик Давид Шёнберг писал о том, что Резерфорд делил науку на физику и собирание почтовых марок.

Но, по мнению Резерфорда, «собирание марок» могло перерасти в «физику», то есть в науку, если накапливалось достаточно много фактов и наблюдений. Химию Резерфорд относил также к собиранию марок (хотя Нобелевскую премию он получил именно по химии).

Представляя однажды аудитории знаменитого голландского учёного и своего друга Питера Дебая, Резерфорд сказал почти серьёзно: «Хотя он и химик, но неплохой парень». В отличие от физики (не говоря уж о математике), в химии в течение длительного времени не было чётко установленных закономерностей.

А для тех, что были, существовало множество «исключений из правил». К сожалению, именно так видят сейчас химию многие школьники и даже студенты.

Не было непреложных законов (если не считать закон сохранения вещества), которые бы указывали путь к новым открытиям.

В этом смысле химия действительно скорее походила на ботанику. И все эти исключения нужно было, как прилежному ученику, зазубривать наизусть.

Правда, есть люди с так называемой «врождённой грамотностью», которые руководствуются скорее интуицией, чем правилами, и не делают в письме ошибок. Так и среди химиков были учёные, которые интуитивно чувствовали, каким способом можно превратить одно вещество в другое, где может скрываться что-то новое.

Постепенно химики научились проводить многостадийные и очень трудоёмкие синтезы, чтобы из некоторого исходного вещества путём длинной цепочки превращений получить конечное вещество. Со временем химикам стала помогать теория, и они могли действовать более целенаправленно.

Первой наиболее общей теорией, которая показала, какие реакции возможны, а какие нет, стала химическая термодинамика — наука о превращениях друг в друга различных видов энергии, и прежде всего — тепловой (само название этой науки возникло от греческих слов therme — «жар», «тепло» и dynamis — «сила»).

Все вещества и их смеси имеют разный запас энергии.

Много энергии запасено в нитроглицерине, в порохе, в смесях горючих веществ с кислородом. Эту энергию можно получить и использовать.

При этом образуются вещества с более низким запасом энергии — азот, углекислый газ, вода. Очень мало энергии запасено в большинстве минералов, поэтому они и могут существовать без изменений миллионы (а некоторые — и миллиарды) лет. Возьмём оксид алюминия А12O3 (в природе минерал боксит).

Никакой энергии из него не получишь. Наоборот, чтобы выплавить из боксита алюминий, необходимо затратить огромное количество энергии: 54 миллиона килоджоулей на каждую тонну.

А теперь возьмём природный газ метан СН4. Почему его добывают в огромных количествах и транспортируют по трубам на большие расстояния?

Потому что в метане (вернее, в его смеси с кислородом или с воздухом) запасено очень много энергии: 55 000 кДж/кг! Эта энергия используется и для приготовления каши на кухонной плите, и для выработки тепла и электричества на ТЭЦ. Много энергии заключено в ацетилене, бензине, других горючих веществах. В середине XIX века считали, по аналогии с механикой, что движущая сила реакции — её стремление к состоянию с наименьшей энергией.

Как камень на вершине горы «стремится» к её подножию, где его энергия меньше, так и вещества с большим запасом энергии «стремятся» превратиться в вещества с меньшей энергией. Действительно, в любой экзотермической реакции (это реакции с выделением теплоты) запас химической энергии у продуктов меньше, чем у исходных веществ.

Например, в реакции горения метана СН4 + 2O2 = СO2 + 2Н2O запас энергии у молекул СO2 и Н2O намного меньше, чем у смеси СН4 и O2. Аналогично и камень у подножия горы имеет меньшую энергию, чем на её вершине, потому он легко сам скатывается к подножию горы, но не может самопроизвольно (то есть под действием только тепловой энергии) взобраться на её вершину. Используя эту механическую аналогию, французский химик Марселей Бертло (1827-1907) и датский химик Юлиус Томсен (1826-1909) сформулировали такой принцип: если химическая реакция может идти в разных направлениях, то она «выбирает» такое из них, где выделяется наибольшее количество энергии.

С позиции здравого смысла этот принцип не вызывал возражений. Однако впоследствии стало очевидным, что он ошибочен!

Например, смесь азота и кислорода при высокой температуре «выбирает» наименее выгодный с точки зрения энергии путь — превращение в NO. Более того, фактически все эндотермические реакции, например разложение гашёной извести: Са(ОН)2 = СаО + Н2O, противоречат принципу движения системы в сторону уменьшения химической энергии. В эндотермических реакциях энергия продуктов (в данном случае СаО и Н2O) выше, чем у исходных веществ.

Со временем выяснилось, что направление реакции определяется не только энергией, но и энтропией.

Это слово придумал в 1865 году один из создателей термодинамики немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) — по аналогии со словом «энергия». В обоих словах — греческие корни: в «энергии» — energeia («действие»), в «энтропии» — tropos («поворот», «направление»).

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

О химии и химиках
  • Репетитор – это не обязательно

    06.09.2017

    Очень примечательным и ободряющим для российских граждан является тот факт, что во всем мире репетиторство развивается не менее бурными темпами, чем в России. Ведь когда на законодательном уровне было закреплено единый... 
    Читать полностью

  • Чудеса для разминки

    02.02.2017

    Если чего-нибудь не раздобудешь, неважно. Пропусти опыт и переходи к следующему. Но описание пропущенного опыта прочитай: когда-нибудь, при удобном случае, к нему можно и вернуться. Для первого опыта нужны два вещества, которые,... 
    Читать полностью

  • Варим яйцо в бумажной кастрюле

    02.02.2017

    Возьмите лист плотной бумаги, сверните из него колпачок. Стыки проклейте быстросохнущим клеем и скрепите скобами степлера. В эту бумажную емкость налейте воды, положите сырое яйцо. Согните из проволоки держатель (его можно... 
    Читать полностью

  • Свеча из мыла

    02.02.2017

    Когда мы рассуждали о том, почему мыло моет, то упоминали особое устройство его молекулы: «голова» и длинный «хвост», причем «голова» стремится к воде, а «хвост», напротив, от воды отталкивается… Рассмотрим... 
    Читать полностью

  • Главные принципы домашнего физика

    01.02.2017

    Правило первое (самое главное). Сначала демонстрация опыта, потом – его объяснение и применение закона! Именно такая последовательность привлекает максимальное внимание, и вызывает главный вопрос исследователя – «Почему?» Правило... 
    Читать полностью