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…