Физическое или химическое?

Физическое или химическое?Чем же отличаются физические изменения от химических? Это не очень простой вопрос. Хотя бы потому, что химические реакции почти всегда сопровождаются физическими изменениями (например, нагреванием тел). А при некоторых физических процессах одновременно происходят и химические превращения.

К слову, при растирании многих твёрдых тел в них под воздействием механической энергии трения происходят химические реакции, при которых образуются новые вещества.

Так, при трении двух стальных брусков, смоченных водой, происходит частичный распад воды на газы — водород и кислород. Если растирать в темноте кусок сахара, заметно свечение: светятся неустойчивые вещества, образовавшиеся в результате физического воздействия.

Попробуем определить физические изменения так: это изменения, которые можно обратить вспять: испарившуюся жидкость можно охлаждением снова сконденсировать, замёрзшее вещество — снова расплавить, разбитое твёрдое тело — опять сплавить в один кусок. Но оказывается, что такое определение не работает!

Известно и множество химических реакций, которые можно обратить вспять! Возьмём химическое соединение диоксид азота (этот вредный газ выделяется в небольших количествах, например, при работе двигателя внутреннего сгорания).

При температуре ниже -11 С это белое кристаллическое вещество. Выше этой температуры оно плавится и становится чуть желтоватым.

И чем выше температура, тем темнее окраска; постепенно из жёлтой она становится тёмно-бурой. При 21 °С жидкость закипает, превращаясь в бурый газ, окраска которого с повышением температуры продолжает темнеть (недаром технологи называют выделяющийся из заводской трубы диоксид азота лисьим хвостом).

При понижении температуры все процессы идут в обратном направлении: рыжий газ сначала бледнеет, потом конденсируется в жидкость, а она ниже -11 «С замерзает и превращается в белоснежное вещество. Казалось бы, в соответствии с приведённым выше определением перед нами пример физических превращений.

Но это не так: мы имеем дело с настоящими химическими реакциями, в ходе которых одни молекулы превращаются в другие.

На это указывает один из признаков химического превращения — изменение цвета.

Но важнее другое: изменение состава молекул. Белое твёрдое вещество состоит из молекул, в которых два атома азота (знак N, от латинского Nitrogenium) соединены друг с другом и к каждому из них присоединены два атома кислорода: 02N-N02 (чёрточкой химики обозначают связь между атомами).

Это молекула бесцветного тетраоксида азота N264 (читается «эн-два-о-четыре»).

Химическое сцепление (химическая связь) между атомами азота не очень прочная — она более чем в пять раз слабее связи между атомами азота и кислорода. Поэтому при повышении температуры эта связь рвётся, и образуются отдельные молекулы уже не тетра — (что означает «четыре»), а диоксида азота N02 («ди» означает «два»). Диоксид азота имеет рыже-бурый цвет, что и объясняет изменение окраски.

Сталкиваясь между собой, две молекулы диоксида азота вновь слипаются, образуя молекулу тетраоксида.

Химики такой обратимый процесс записывают в виде двух стрелок, направленных в противоположные стороны: N2О4 — 2NО2. Вот мы и записали первое, причём настоящее, химическое уравнение — уравнение химического равновесия между двумя разными веществами!

При повышении температуры равновесие смещается вправо — бурая окраска темнеет; при понижении температуры оно смещается влево, пока все молекулы N02 не соединятся друг с другом. Таким образом, мы имеем дело одновременно с двумя химическими реакциями: в одной химическая связь рвётся, в другой — образуется.

Подобным разрывом и образованием химических связей химические реакции и отличаются от физических процессов. Не следует думать, что химическую реакцию всегда можно узнать по изменению цвета.

Например, спирт и уксусная кислота могут вступать в реакцию с образованием новых веществ — воды и сложного эфира со специфическим, напоминающим фруктовый, запах (к таким веществам принадлежат так называемые фруктовые эссенции).

Этот эфир и вода могут снова реагировать, давая исходные спирт и кислоту.

И все участники этих превращений бесцветны (правда, запах у них разный). А вот ещё один, более удивительный (и когда-то не понятный для химиков) пример: бесцветный порошок сульфата меди при растворении в воде даёт не бесцветный, а голубой раствор!

Если воду испарять, из раствора будут выделяться красивые синие кристаллы медного купороса.

Это тоже сульфат меди, только эти кристаллы содержат в себе также молекулы воды. Раньше на примере хлорида кобальта мы уже встречались со случаем изменения цвета вещества, которое связано с присутствием в нём разных количеств воды.

Ещё один подобный пример. Пары йода имеют фиолетовый цвет.

Такой же цвет и у раствора йода в бензине. В воде раствор йода жёлтый, в бензоле или спирте — коричневый (это цвет знакомой всем йодной настойки), в растворе поливинилового спирта йод синий (это цвет лекарственного дезинфицирующего средства йодинола)!

И меняется не только цвет: йод в разных растворителях (в разном окружении) химически ведёт себя тоже по-разному. Например, бурые растворы йода легко реагируют с мелкими медными опилками, растворяя их, тогда как фиолетовые растворы на медь почти не действуют.

А вот более знакомый пример другого рода. Сухая поваренная соль электрический ток не проводит, как не проводит его и абсолютно чистая (дистиллированная) вода.

Но если растворить соль в воде, получится раствор, хорошо проводящий ток. Всем известно, что растворение соли полностью обратимо: если воду испарить, снова получим кристаллы соли. Но в воде с ней что-то всё же произошло…

Физические все эти изменения или химические? Лет 100 назад физики и химики долго и порой ожесточённо спорили друг с другом по этому поводу.

Одни были приверженцами «физической» теории растворения веществ, другие — «химической» теории (к последним принадлежал и Д. И. Менделеев).

Отчасти правы оказались и те и другие.

Поэтому процессы, которые можно по некоторым признакам отнести к физическим, а по другим — к химическим, стали называть физико-химическими… Вот олово — мягкий блестящий металл — превращается на сильном морозе в серый порошок, на металл совсем не похожий.

Если этот порошок внести в тёплую комнату, он в металл не превратится — для этого порошок нужно сильно нагреть.

Когда-то такой переход белого олова в серое доставлял много неприятностей: на морозе рассыпались сделанные из олова пуговицы, посуда и даже органные трубы. Причём малейшие крупинки серого порошка, попавшие на металл, резко ускоряют его «заболевание».

Недаром такое превращение назвали оловянной чумой. Полагают, что из-за разрушения паянных оловом сосудов с жидким топливом в 1912 г. погибла экспедиция Скотта к Южному полюсу…

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