Горящ кибрит, Пътешествие в света на химията
Горящ кибрит
При изгаряне на водород се образува вода: 2H2 + O2 = 2H2O.
Но ако водата (под формата на нейните пари) се нагрее много силно, тя отново ще се разложи на водород и кислород. Същите газове могат да се получат, ако постоянен електрически ток се пропуска през вода при нормална температура. Това означава ли, че всяка реакция, чрез промяна на условията, може да бъде принудена да върви в обратна посока?
Да вземем за пример изгарянето на обикновен кибрит.
Тук го удариха на кутиите.
Имаше пламък, миришеше на "сяра".
По време на горенето е възникнала химическа реакция (всъщност не една реакция, а много).
Процесът започва под действието на триене, когато върху Коробок се удари кибрит. Първо се запали червеният фосфор, който беше върху кибритената кутия.
Фосфорът, който дава висока температура при изгаряне, запали смес от сяра и бартолетна сол в кибритената глава, а главата вече беше подпалила дървата, напоени с восък близо до главата, за да свети по-добре.
Вместо изгоряла кибритена клечка имаше въглен; освен него се образуват нови невидими за окото вещества: серен диоксид, въглероден диоксид. Възможно ли е да се получи съвпадение отново от всички тези вещества? Очевидният отговор е не.
Невъзможно е да принудите всяка от миналите реакции да върви "отдясно наляво", например изгарянето на фосфор: 4P + 5O2 \u003d 2P2O5. Тази реакция е необратима.
Защо се случва това? Възможно ли е да се идентифицират някакви модели тук?
Както знаем, неизменността на атомите е обща за всички химични реакции.
Те преминават само в хода на реакцията от едно вещество къмна друг.
В реакцията на изгаряне на кибрит (или по-скоро в реакции, тъй като има много от тях), всички атоми, които са били в състава на кибрита, преминават в продуктите на реакцията.
В този случай общият брой атоми на всеки химичен елемент (водород, кислород, въглерод, сяра и други) в състава на мача е точно равен на броя на атомите на тези елементи в продуктите на горенето.
Например всички хлорни атоми в състава на бертолетовата сол (калиев хлорат KClO3) преминават в един от реакционните продукти - калиев хлорид KC1; най-вероятно всички калиеви атоми също са преминали в него.
И по време на изгарянето на сярата всички нейни атоми преминаха в състава на серен диоксид: S + O2 = SO2 (този газ е един от основните компоненти на неприятната миризма на изгоряла кибритена клечка), а фосфорните атоми преминаха в състава на неговия оксид. И какво се случва, когато по-голямата част от кибритената клечка, която се състои основно от целулоза, изгори?
Целулозата има състав C6H10O5. Известно е какви продукти са се образували при горенето му - това са вода, въглероден диоксид и въглища.
Не е трудно да напишете уравнението на реакцията за изгаряне на целулоза и да изберете коефициентите за него: С6Н10О5 + 6O2 = 6СО2 + 5Н2O.
Очевидно е, че тази реакция също е необратима: както и да нагрявате тази смес, както и да я облъчвате, няма да получите целулоза от въглероден диоксид и вода!
Това означава, че „правилно“ написано (т.е. с изпълнение на закона за запазване на атомите) уравнение на реакцията не казва нищо за това дали тя ще бъде обратима или не. Нито казва дали реакцията е възможна.
Така че, преди да се заемат с производството на нови вещества, химиците трябваше да се научат да предвиждат нещо.
И тук има два вида въпроси.
Първият от тях е следният: възможно ли е да се знае теоретично, без провеждане на експерименти, дали дадена реакция е възможна, дали ще протече, ако се смеси един или друг реагент? И какво трябва да се направитака че да върви (можете например да промените налягането и температурата, да въведете катализатори, да осветите сместа с ултравиолетови лъчи ...
)? Също така е необходимо да се знае дали реакцията ще продължи до края или ще спре малко след началото. И ако спре, тогава до каква дълбочина ще стигне при тези условия.
Ето някои други видове въпроси. Защо някои реакции протичат много бързо (много реакции на горене), други по-бавно (разтваряне на желязо в киселина) или дори много бавно (превръщане на гроздов сок във вино или оцет, ръждясване на желязо и т.н.)? Какво може да се направи, за да се ускорят необходимите реакции и да се забавят ненужните?
И накрая, най-трудният въпрос. Тук имаме точен план, молекулярния дизайн на някои вещества.
И ние знаем как е подредено веществото, което трябва да получим.
Можем ли да го синтезираме и как? Можем ли да получим метилов алкохол CH3OH, който е много важен за химическата промишленост, от природен газ метан CH4 и атмосферен кислород O2?
Все пак това не са части в конструктора, които могат да се отделят и след това да се сглобят от тях в нещо ново.
Така че реакциите са различни. Но като? Факт е, че правилно поставените коефициенти в уравнението на реакцията (например C6H10O5 + 6O2 = 6CO2 + 5H2O) не казват нищо за механизма на процеса.
Те показват само съотношенията, в които изходните вещества реагират и се образуват продуктите на реакцията. Най-трудният въпрос, който може да възникне при реакцията на изгаряне на целулоза (както и почти всяка друга реакция), е как изходните материали (реагенти) се превръщат в реакционни продукти.
Какъв е техният механизъм? Възможно ли е да се посочи кой атом къде е „отишъл“ и по какви начини е „стигнал“ до целта си?
Какво се случва през периода от време, когато началниятвеществата се превръщат в реакционни продукти?
В хода на всяка химическа реакция се променя взаимното разположение на атомите, тоест редът, в който те са свързани един с друг. Но какво се случва с атомите, когато преминават от едно вещество в друго?
Как се "разединяват" един от друг и се свързват отново - в различен ред?