Из предыдущих разделов мы узнали (приблизительно, конечно), какие бывают вещества и как они устроены. Теперь нам нужно познакомиться с самым важным в химии — с химическими реакциями: узнать, какие они бывают, почему одни вещества реагируют, а другие нет и почему реакции идут так, а не иначе. Когда появилась химия как наука (а произошло это приблизительно в XVII — XVIII вв.), химики имели дело с небольшим числом известных элементов и со сравнительно : небольшим числом веществ.
Тем не менее они очень слабо представляли себе, что же происходит в ходе химической реакции, когда одни вещества превращаются в другие. Химия в те времена представляла собой набор эмпирических правил, то есть правил, найденных в результате многочисленных экспериментов, проводимых часто без всякого заранее намеченного плана.
И в головах химиков зачастую царил хаос — как и сейчас у многих школьников! Видный американский физикохимик Джордж Хэммон по этому поводу высказался так: «В 1950-х годах учебники по органической химии стали такими большими, что их разделили на две части.
И вы должны были запомнить каждое соединение, каждую реакцию. И самые лучшие студенты всё это выучивали.
Это было мучительно, но это требовалось — запомнить названия всех этих соединений, всех этих реакций…
» На самом деле в современной химии царит порядок; химики знают, что уже точно установлено, что требует проверки, а что пока ещё им неизвестно. Вот главное из давно и точно установленного: в химии строжайше выполняется закон о сохранении числа атомов.
В химических процессах одни элементы не могут превращаться в другие, и любая химическая реакция представляет собой просто «перестановку атомов»: атомы, входившие в состав исходных веществ (их часто называют реагентами), оказываются в составе продуктов реакции. При этом число атомов каждого элемента остаётся строго постоянным.
Современный химик никогда не будет пытаться провести «невозможные» превращения, например получить золото из ртути или свинца, как это пытались сделать алхимики. Или получить оксид фтора F2O7, в котором этот элемент был бы семивалентным, несмотря на то, что на валентной оболочке его атома находятся семь электронов, и в этом отношении фтор аналогичен хлору, оксид которого С12О7 известен.
И только в шутку химик может писать «уравнения» таких реакций, как А1 + Сu = Аu + С1 или Si + Nb = Sb + Ni (попробуйте сами, пользуясь периодической таблицей, составить ещё несколько таких «алхимических превращений»). Во все времена, и сейчас тоже, главный вопрос для химиков — как получить вещество с нужными свойствами.
Но прежде, чем на него ответить, необходимо выяснить, что произойдёт, если прореагируют такие-то вещества.
И хорошо бы также заранее знать, с какой скоростью пойдёт конкретная реакция в данных условиях.
Слишком медленно — плохо, долго ждать, а слишком быстро — тоже может быть плохо: как бы взрыва не было… Известно, что многие вещества могут спокойно сосуществовать, вовсе не реагируя друг с другом.
Начинающие изучать химию иногда задают вопрос, ставящий в тупик преподавателя: а что получится, если из всех этих баночек с реактивами достать понемногу и всё перемешать? Но даже если такой странный эксперимент проделать, тут же возникнет следующий вопрос: как узнать, произошла ли при смешении тех или иных веществ химическая реакция или никакой реакции не было?
Химики давно выделили характерные признаки химической реакции. Обычно считается, что протекание реакции характеризуется выделением тепла (а иногда и света, а также звука), образованием осадка, выделением газообразных веществ.
Вот конкретные примеры. Если насыпать на железный лист горку растёртого в порошок дихромата аммония и поджечь её сверху наблюдается очень красивая реакция: (NH4)2Cr2О7 = Сг2О3 + N2 + 4Н2О.
При этом из красной горки вверх летят искры, и во все стороны, как лава, выделяется в большом количестве зелёный порошок оксида хрома.
Недаром такой эксперимент получил название «Извержение вулкана». В этой реакции выделяются и свет, и теплота, и газы (азот и пары воды).
Всё это характерные признаки химической реакции.
Всем известно, что теплота и свет сопровождают реакции горения.
Но и здесь есть исключения.
Например, если поджечь струю водорода, его пламя будет совершенно невидимым. Правда, для этого водород должен выделяться из металлической трубки, так как стеклянная быстро нагреется на конце и окрасит пламя в жёлтый цвет (свечение натрия).
Чтобы убедиться в том, что выходящий из трубки водород действительно горит, к её выходному отверстию подносят холодный предмет, и тогда на нём осаждаются капельки воды, образовавшиеся в реакции горения: 2Н2 + О2 = 2Н2О.
Известны и реакции с выделением света, но без горения. Такое явление называется хемилюминесценцией.
Светиться могут гнилушки, светляки, некоторые морские одноклеточные организмы. Светятся и многие морские животные, обитающие как на поверхности моря, так и в его глубине.
Это примеры биолюминесценции — свечения в живых организмах. Во всех этих случаях энергия химической реакции выделяется в виде света.
В 1669 году алхимик из Гамбурга Хенниг Бранд случайно открыл белый фосфор по его свечению в темноте. Впоследствии химики выяснили, что белый фосфор легко испаряется и светятся его пары, когда они реагируют с кислородом воздуха.
Свет выделяется и в реакции некоторых органических веществ с перекисью водорода. При этом наблюдается настолько яркая хемилюминесценция, что её можно видеть даже при дневном освещении.
Это явление используют, например, для производства игрушек и украшений. Их делают в виде прозрачных пластмассовых трубочек, в которых запаяна ампула с перекисью водорода, а также раствор сложного вещества — дифенилового эфира щавелевой кислоты и флуоресцентный краситель.
Если ампулу раздавить, эфир начнёт окисляться, энергия этой реакции передаётся на краситель, который и светится. Его цвет может быть разным — оранжевым, голубым, зелёным — в зависимости от красителя.
Чем быстрее идёт реакция окисления, тем ярче свечение, но тем быстрее оно прекращается.
Подбором компонентов получают яркое (можно читать в темноте) свечение, которое затухает в течение примерно 12 часов — для карнавала или дискотеки этого вполне достаточно. А вот примеры реакций, сопровождающихся выделением большого количества теплоты.
Если облить порошок оксида кальция (негашёной извести) водой, то в результате реакции образуется гашёная известь (гидроксид кальция): СаО + Н2О = Са(ОН)2. В этой реакции выделяется так много теплоты, что закипает вода в стакане, поставленном в негашёную известь до опыта. Ещё один пример взят из биографии американского физика Роберта Вуда.
Как-то он повёз кататься в санях свою невесту, и у неё замёрзли руки.
Тогда Вуд достал припасённую бутылку, заполненную на три четверти водой, и налил в неё из флакона концентрированную серную кислоту. «Через десять секунд бутылка так нагрелась, — записал будущий знаменитый физик в своём дневнике, — что её нельзя было держать в руках.
Когда она начинала остывать, я добавлял ещё кислоты, а когда кислота перестала поднимать температуру — достал банку с палочками едкого натра и понемногу подкладывал их. Таким способом бутылка была нагрета почти до кипения всю поездку».
Реакция серной кислоты с едким натром (старое название гидроксида натрия) идёт так: H2SО4 + 2NaOH = Na2SО4 + 2Н2О.
В этой реакции действительно выделяется очень много теплоты.
Какая же реакция происходит при простом разбавлении серной кислоты? По этому поводу давно был спор.
Многие химики считали, что никакой химической реакции в этом случае нет. Другие же, в том числе и Д. И. Менделеев, полагали, что всё же имеет место химическое взаимодействие серной кислоты с водой. Сейчас принято считать подобные процессы физико-химическими.