Олово — далеко не единственный пример такого рода. Переход вещества из одной разновидности (модификации) в другую при изменении температуры — скорее правило, чем исключение. Даже знакомое всем железо при разных температурах существует в четырёх разных модификациях, которые отличаются по свойствам.
Красный и неядовитый фосфор (он входит в состав намазки на спичечном коробке) при сильном нагревании без доступа воздуха испаряется, а если эти пары охладить, получится мягкое желтоватое вещество, совершенно не похожее на исходное.
Это так называемый белый фосфор; он очень ядовит, а при слабом подогреве самовоспламеняется.
А вот ещё более известный пример: самый твёрдый минерал — алмаз и мягкий чёрный графит состоят из одних и тех же атомов углерода.
При очень высоких давлениях и температурах эти вещества могут переходить друг в друга, и сейчас искусственные алмазы (в основном для технических нужд) получают в больших количествах. И хотя при взаимных переходах графита и алмаза рвутся одни химические связи и образуются другие, вряд ли вы встретите человека, который скажет, что это химические реакции.
То же можно сказать о взаимных превращениях двух модификаций олова — разве это химические реакции?!
Значит, граница между химическими реакциями и физическими процессами условна.
И тем не менее обычно их разделяют. Вот любопытный эксперимент, который даёт некоторое представление о различии физических и химических процессов.
Нальём воду в колбу — круглодонный сосуд, с которым работают химики, — и будем нагревать её на плитке. Погружённый в воду термометр покажет, что температура воды постепенно повышается до 100 °С, а затем не меняется.
Второй термометр, расположенный выше поверхности воды, ведёт себя точно так же — показывает постепенное повышение температуры до 100 °С. Этот термометр греет невидимый водяной пар. А в холодильнике (трубочка, охлаждаемая водой из-под крана) «из ничего» вновь образуются капли воды, которые стекают в стаканчик. Вроде всё ясно: это пример «чисто физического» процесса.
А теперь проведём второй опыт. Внешне он во всём похож на первый: в колбе кипит прозрачная бесцветная жидкость, в холодильнике её пары конденсируются, и бесцветная жидкость стекает в стаканчик.
Но вот с термометрами творится что-то непонятное: тот, который погружён в жидкость, показывает 163 «С, а расположенный выше — всего 41 °С! Но и это не всё: перельём собранную в стакане ещё тёплую жидкость обратно в колбу и будем её нагревать: теперь оба термометра покажут одну и ту же температуру: 41 °С. Если же легкокипящая жидкость постоит в колбе без нагревания несколько дней, она снова станет кипеть при 163 °С. Более того, высококипящая жидкость легко затвердевает и снова плавится, только если её нагреть выше 33,6 °С. Чудеса, что и говорить! Объяснить эти «чудеса» можно лишь единственным способом: в колбе вначале было одно вещество, а в парах над жидкостью и в стаканчике — другое.
То есть низко — и высококипящие жидкости — разные химические вещества! Они имеют разные химические свойства, то есть по-разному реагируют с другими веществами.
Но они могут превращаться друг в друга. Низкокипящая жидкость называется циклопентадиеном.
Его состав отражает формула С5Н6 (читается «це-пять-аш-шесть»), в которой на пять атомов С приходятся шесть атомов Н. В названии этого вещества тоже нет ничего хитрого.
«Цикло» означает, что молекула вещества циклическая, «пента» — что в цикле пять атомов углерода (тот же корень и в слове «Пентагон» — «пятиугольник»), суффиксом «-ен» химики обозначают двойную связь между атомами углерода, ну а с «ди» мы уже встречались: это на латыни «два»: в молекуле две двойные связи между атомами углерода, как видно из формулы.
Циклопентадиен химически очень активное соединение, он устойчив лишь при низких температурах (ниже -80 °С). При более высоких температурах молекулы С5Н6 медленно реагируют друг с другом, образуя другое вещество состава С10Н12, которое обладает другими физическими и химическими свойствами. Его бесцветные кристаллы уже при небольшом нагревании (или жарким летом) плавятся.
Это и есть высококипящая жидкость. А вот химическое название этого вещества даже для многих химиков звучит страшновато: трицикло [5.2.1.02,6] додека-3,8-диен.
Мы не будем здесь объяснять, что всё это означает… А теперь — пример превращения, которое все химики считают настоящей химической реакцией.
Под действием электрических разрядов, в том числе молний, газ кислород (его молекула состоит из двух атомов: О2) превращается в озон (его молекула состоит из трёх атомов кислорода: O3). Это химическая реакция, для неё можно записать уравнение: 3О2 = 2О3. Озон — вещество неустойчивое и довольно быстро снова превращается в кислород: 2О3 = 3О2. Есть ли принципиальное различие между этими химическими реакциями и взаимными превращениями белого и серого олова, красного и белого фосфора, алмаза и графита?
Однозначно ответить на этот вопрос вряд ли возможно.
Так, в последнем издании пятитомной «Химической энциклопедии» химическая реакция определена как «превращение одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции)».
Но разве белое и серое олово — не разные вещества? Однако вряд ли сплавление серого олова с образованием обычного белого можно назвать химической реакцией.
Кстати, при температуре выше 170°С олово переходит в третью форму; она настолько хрупкая, что металл можно растереть в порошок, а при падении уже с небольшой высоты кусок такого горячего олова разбивается на мелкие куски…