Детская энциклопедия
Том 1. Земля. Том 4. Растения и животные. Том 7. Человек. Том 10. Зарубежные страны.
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры. Том 5. Техника и производство. Том 8. Из истории человеческого общества. Том 11. Язык. Художественная литература.
Том 3. Вещество и энергия. Том 6. Сельское хозяйство. Том 9. Наша советская Родина. Том 12. Искусство.

В ходе химической реакции образуется новое соединение (веще­ство), происходит выделение или поглощение энергии (Э).

10 % производимого металла теряется беспо­лезно. Коррозия — пример коварного процесса, она протекает постепенно. Вечером железная пластинка будет такой же, как утром, но прой­дет несколько дней, и на ее поверхности появ­ляются рыжеватые разводы ржавчины. Про­цесс коррозии во многом зависит от окружающих условий. В тропических странах, где высокая влажность и жарко, стальные и железные изде­лия ржавеют быстрее, чем в средних широтах. Обратите внимание, что повышенная темпе­ратура ускоряет коррозию.

А вот, допустим, в стеклянном сосуде сме­шаны два газа — водород и кислород, состав­ные части воды. Сосуд при комнатной темпе­ратуре (15—20°Ц) может стоять сколько угодно, и на поверхности стекла не будет заметно ни единой капельки влаги. Кажется, что водород вовсе и не соединяется с кислородом. Соеди­нение идет, но только чрезвычайно медленно. Чтобы на донышке сосуда образовалась лужица воды, должны пройти тысячелетия. В чем же дело? Оказывается, комнатная температура слишком низка, чтобы водород и кислород вступили в быстрое взаимодействие. Но если нагревать сосуд, стенки его запотевают. Это верный признак протекающей реакции. А при 500°Ц сосуд разлетится на мелкие осколки. При такой температуре образующие воду газы реагируют со взрывом.

Но всегда ли это происходит так? Нет, не всегда. Чтобы образовался один объем водяного пара, нужно взять два объема водорода и один объем кислорода. Эту смесь называют также гремучим газом: при нагревании она взры­вается. Если же количество водорода в смеси менее 4% или более 94% (по объему), то такая

смесь не взрывоопасна. Скорость химической реакции зависит не только от температуры, но и от концентрации реагирующих продуктов.

Температура и концентрация — вот те важ­нейшие понятия, которыми оперирует химиче­ская кинетика — наука о скоростях хими­ческих реакций. Ее основной девиз: обеспечить полноту протекания химического процесса, полу­чить наибольший выход нужного продукта. Ради этого химик-кинетик становится и физи­ком и математиком. И он ставит перед собой задачу — рассчитать химическую реакцию.

Итак, прежде чем смешивать исходные веще­ства, химик задается вопросом: при какой тем­пературе пойдет реакция? При обычной, ком­натной, начинаются немногие. Уголь не заго­рается сам собой, смесь порошков магния и серы так и остается смесью. Стоит лишь под­вести к ним пламя — реакции начинаются тут же.

Почему же тепло способно заводить меха­низм химического процесса? Вернемся снова к воде. Водород и кислород в свободном виде существуют в форме молекул Н2 и O2. Чтобы эти молекулы могли прореагировать, они дол­жны столкнуться. И чем чаще будут такие столк­новения, тем вероятнее образование молекулы воды. При комнатной температуре и нормаль­ном давлении каждая молекула водорода долж­на сталкиваться с молекулой кислорода... более десяти миллиардов раз в секунду. Если бы любое столкновение приводило к химиче­скому взаимодействию, реакция прошла бы быстрее взрыва — за одну десятимиллиардную долю секунды! Но мы не видим в сосуде, где смешаны два объема водорода с одним объемом кислорода, никаких изменений по­тому, что в обычных условиях очень редкое столкновение приводит к химической реакции. И секрет заключается в том, что сталкиваются молекулы водорода и кислорода.

Прежде чем вступить в реакцию, молекулы должны распасться на атомы. Точнее говоря, валентные связи между атомами кислорода и атомами водорода в их молекулах должны ослабнуть и настолько, чтобы не препятство­вать объединению разнородных атомов водо­рода и кислорода. Температура и играет роль кнута, подстегивающего реакцию. Она во много раз увеличивает число столкновений, делает соударения молекул более энергичными. Это приводит к ослаблению валентных связей в мо­лекулах Н2 и O2. А когда водород и кислород получают возможность встретится на атомар­ном уровне, они реагируют мгновенно.

398

Но химика-кинетика такое качественное описание процесса мало удовлетворяет. И он вводит новое понятие: энергия акти­вации. Это та самая энергия, которой должны обладать молекулы, чтобы при­обрести способность к химическому взаимо­действию.

Даже при обычной температуре среди моле­кул водорода и кислорода отыщутся такие, у которых энергия равна или больше энергии активации. Потому-то образование воды идет, но чрезвычайно медленно. Слишком мало до­статочно энергичных молекул. А высокая тем­пература приводит к тому, что активационного «барьера» достигают многие молекулы.

Роль энергии активации поистине колос­сальна. Вообразим себе, что все молекулы стали бы реагировать друг с другом при любых энер­гиях. Тогда не стоило бы даже говорить о ско­ростях реакции. Все вещества стали бы очень быстро соединяться друг с другом, и образо­вывались бы самые устойчивые соединения: окислы, соли. Все металлы моментально бы окислились, все сложные органические веще­ства разрушились, превратились бы в простые, но более устойчивые соединения, в том числе и вещества, входящие в состав живых клеток. Получился бы странный мир — мир без жизни, без химии, фантастический мир очень устой­чивых соединений, не имеющих желания всту­пать в химические взаимодействия. Вот от таких неслыханных бед сберегает нас суще­ствование энергии активации.

Посмотрим теперь, что такое концентрация и какую роль играет она в химических реакциях. Концентрацией называют число моле­кул реагирующего вещества в каком-нибудь объеме, например в кубическом сантиметре. Чем выше концентрация молекул взаимодей­ствующих веществ, тем чаще они будут стал­киваться, тем быстрее пойдет реакция. Как же повысить концентрацию? Как «зажать» в кубический сантиметр объема побольше молекул?

Вот пример. Синтез аммиака в практической деятельности человека очень важный химиче­ский процесс. Три молекулы водорода и одна молекула азота дают две молекулы аммиака: 3H2+N2®2NH3. Если при обычном давлении смешать три объема водорода и один объем азота, то будет всего лишь смесь газов. Но вот давление увеличивается, скажем, в 500 раз. Смесь подвергается давлению, равному 500 атмосфер. Скорость реакции увеличивается в 60 с лишним миллиардов раз.

Вспомним теперь основной девиз кинетики: обеспечить полноту протекания химической реакции, получить наибольший выход нужного продукта.

Если реакция идет с малым выходом про­дукта, то еще надо задуматься, стоит ли тратить время, силы и средства для ее осуществления. Ведь задача химии — служить человеку, слу­жить с толком. В прошлом у химии существо­вал свой символ: змея, кусающая собственный хвост. Если этот образ перевести на более понят­ный язык современной науки, то он означает: обратимая химическая реакция. Все химиче­ские реакции в принципе обратимы. Два атома водорода и атом кислорода, соединяясь, дают молекулу воды, и одновременно другая моле­кула воды распадается на составные части. Две противоположные реакции протекают одно­временно: образование воды (прямая реакция) и ее распад (обратная реакция). Если скорость прямой реакции равна скорости обратной, то данная система находится в равновесии. И так для любой реакции. В различных реакциях равновесие достигается в разное время: у од­них мгновенно, а у других далеко не сразу.

Чтобы девиз кинетики осуществился прак­тически, нужно одно: как можно дольше оття­нуть момент наступления равновесия, не допу­стить, чтобы обратная реакция стала конкури­ровать с прямой. Здесь приходится ввести еще одно очень важное для мира химических взаи­модействий понятие: константа равно­весия — важнейший рычаг для управления химическими реакциями.

Константа равновесия реакции — это отно­шение произведения концентраций образовав­шихся веществ к произведению концентраций веществ, первоначально вступивших в реак­цию. Вот выражение для константы равнове­сия процесса синтеза аммиака:

В числителе — концентрация образовавшегося аммиака [NH3]; так как его две молекулы, то концентрация возведена в квадрат: [NH3]•[NH3]=[NH3]2. Как «построен» знаменатель, легко догадаться.

Если химик желает, чтобы та или иная химическая реакция имела практический «резонанс», он должен предварительно выяснить, чему равны значения ее константы равновесия при различных температурах. Всякая дробь тем больше, чем больше ее числитель и чем меньше знаменатель. Чем больше будет концен-

399