Вот другой пример, в котором происходит не «перестановка» атомов в молекулах, а «путешествие» одного и того же атома из одних веществ в другие. Если растворить кусочек меди (Си) в крепкой азотной кислоте, получится синий раствор нитрата меди Cu(NO3)2 и одновременно выделится ядовитый бурый газ — диоксид азота N02. Будем понемногу добавлять к этому раствору соду. Сначала сода нейтрализует непрореагировавшую кислоту, а при дальнейшем добавлении соды из раствора выпадет осадок основного карбоната меди (СuОН)2СО, (кстати, такой же состав имеет и минерал малахит).
В этот осадок перешли все атомы меди, в растворе её не осталось. Отфильтруем осадок и добавим к нему уксус.
Осадок с шипением растворится: образовался раствор уксуснокислой меди (ацетата меди) (СН3СОО)2Сu. Опустим в этот раствор железный гвоздь. Он сразу начнёт покрываться красным слоем меди: более активный металл железо вытесняет из растворов менее активный металл медь.
Мы снова получили те же самые атомы меди в виде простого вещества, которые у нас были вначале, но эти атомы совершили небольшое путешествие.
Однако мы не знаем многих деталей этой реакции, например, каким путём атомы азота из молекул кислоты HNO, превратились в молекулы газа NO2. То же можно сказать и о многих других реакциях, даже самых, казалось бы, простых. Вот одна из таких «простых» реакций: 2Н2 + O2 = 2Н2O.
Но простая она только с виду. Ещё в 1937 году профессор из Оксфорда Кеннет Бэйли написал о ней: «Уравнение реакции кислорода с водородом — первое уравнение, с которым встречается большинство начинающих изучать химию.
Реакция эта кажется им вначале очень простой.
Но даже и не новички в химии бывают несколько поражены, увидев книгу с названием «Реакция кислорода с водородом», в которой более сотни страниц».
Бэйли имел в виду книгу С. Н. Хиншелвуда и А. Т. Уильямсона, опубликованную в 1934 году; в ней 103 страницы.
А спустя 12 лет, в 1949 году, была издана монография отечественных химиков А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода», и в ней было уже 180 страниц.
Значит, эта реакция настолько сложная, что о ней можно написать целые книги! Оказалось, что эта реакция происходит вовсе не в результате столкновения двух молекул Н2 и одной молекулы O2 с образованием двух молекул воды.
Такая «прямая» реакция очень невыгодна, так как требует слишком много энергии. На самом деле она идёт, как многие другие реакции, путём целой цепочки последовательных превращений, которые называются элементарными стадиями.
И такой «обходной путь» намного быстрее приводит к цели.
В каждой элементарной стадии участвуют очень активные промежуточные частицы, время жизни которых измеряется тысячными, а то и миллионными долями секунды. Именно эти активные частицы, обладающие высокой реакционной способностью, определяют, с какой скоростью пойдёт реакция и к каким продуктам она в конечном счёте приведёт.
Но когда реакция закончилась, этих частиц уже и след простыл. Поэтому в прошлом химики не только не видели этих частиц, но даже не подозревали об их существовании.
Реакция водорода с кислородом оказалась очень сложной.
Но химики всё же сумели её «раскусить» и понять, что именно происходит с каждым атомом Н и О. Хотя для этого потребовалась многолетняя работа большого коллектива исследователей.
Здесь можно привести слова заместителя директора крупнейшего Института химической физики в Москве академика Н. М. Эмануэля: «Множество химиков нашего института годами изучали реакцию водорода с кислородом.
И делали это вовсе не для того, чтобы разработать дешёвый способ получения воды.
Данная реакция была модельной; на её примере мы смогли изучить механизм, тонкие детали более сложных реакций горения и применить эти знания на практике».
Действительно, знать механизм реакции — значит, научиться управлять ею. Например, зная механизм отдельных стадий процесса горения, можно «собрать» весь процесс, то есть смоделировать пламя.
А это очень важно для практики.
Так, выяснение основных деталей механизма очень сложного процесса — сгорания бензина в цилиндре двигателя внутреннего сгорания — позволило синтезировать такие вещества, которые уже в небольших количествах помогают бензиново-воздушной смеси гореть спокойно, без взрыва.
Эти присадки (их называют антидетонационными) позволили резко поднять качество бензина и увеличить мощность моторов.
За работы по выяснению механизма реакций горения Николай Николаевич Семёнов и Сирил Норман Хиншелвуд в 1956 году были удостоены Нобелевской премии по химии. Как же химики выясняют механизмы химических реакций?
Один из самых старых способов — изучить, как влияют на скорость реакции температура и концентрация реагентов (для растворов) или давление (для газов). Оказывается, таким способом можно прийти к определённому заключению о механизме реакции.
Используются и другие, более «хитрые» методы.
Например, сначала устанавливают, какое место в молекулах продуктов реакции занимают определённые атомы молекул исходных веществ.
Известно, что растения синтезируют целлюлозу из молекул углекислого газа и воды, при этом они выделяют в воздух кислород.
Спрашивается, откуда взялись атомы кислорода в выделяемых молекулах 02 — из молекул СO2 или из молекул Н2O, поступивших в растение? В прошлом химики не знали, как это можно выяснить и разрешима ли вообще такая задача.
Например, чуть ли не с алхимических времён была известна так называемая реакция этерификации — взаимодействие спирта с органической кислотой с образованием приятно пахнущих сложных эфиров (к ним относятся яблочная, грушевая, ананасная и другие эссенции). В случае, например, реакции этилового спирта С2Н5ОН с уксусной кислотой СН3СООН отщепляется молекула воды и образуется сложный эфир — этилацетат, вещество с характерным запахом, которое широко применяется как растворитель: С2Н5ОН + СН3СООН = СН3СООС2Н5 + Н2O.