Горіння сірники, Подорож у світ хімії
Горіння сірника
При горінні водню утворюється вода: 2Н2 + O2 = 2Н2O.
Але якщо воду (у вигляді її пари) дуже сильно нагріти, вона знову розкладеться на водень та кисень. Ці ж гази можна отримати, якщо через воду за нормальної температури пропустити постійний електричний струм. Чи це означає, що будь-яку реакцію, змінивши умови, можна змусити йти у зворотному напрямку?
Візьмемо як приклад горіння звичайного сірника.
Ось нею чиркнули об коробку.
З'явилося полум'я, запахло «сірою».
Під час горіння відбулася хімічна реакція (насправді не одна реакція, а багато).
Процес почався під дією тертя, коли сірником чиркнули об Коробок. Спочатку спалахнув червоний фосфор, який був на сірниковій коробці.
Фосфор, що дає при горінні високу температуру, підпалив суміш сірки і бертолетової солі в сірниковій головці, а головка вже підпалила деревину, просочену біля головки воском, щоб вона краще загорялася.
Замість згорілого сірника залишилося вугілля; крім нього утворилися і видимі оком нові речовини: сірчистий газ, вуглекислий газ. Чи можна з усіх цих речовин знову отримати сірник? Очевидна відповідь – не можна.
Не можна змусити йти «праворуч наліво» і кожну з реакцій, що минули, наприклад горіння фосфору: 4Р + 5О2 = 2Р2О5. Ця реакція необоротна.
Чому так відбувається? Чи можна тут виявити якісь закономірності?
Як знаємо, загальним всім хімічних реакцій є незмінність атомів.
Вони лише переходять у ході реакції від однієї речовини доіншому.
У реакції горіння сірника (вірніше, у реакціях, оскільки їх багато) всі атоми, що були у складі сірника, перейшли у продукти реакції.
При цьому загальна кількість атомів кожного хімічного елемента (водню, кисню, вуглецю, сірки та інших) у складі сірника в точності дорівнює кількості атомів цих елементів у продуктах горіння.
Наприклад, всі атоми хлору у складі бертолетової солі (хлорату калію КСlO3) перейшли в один із продуктів реакції - хлорид калію КС1; у нього ж, швидше за все, перейшли і всі атоми калію.
А при згорянні сірки всі її атоми перейшли до складу сірчистого газу: S + O2 = SO2 (цей газ — один з основних компонентів неприємного запаху сірника, що згорів), а атоми фосфору перейшли до складу його оксиду. А що відбувається при горінні основної маси сірника, що складається переважно з целюлози?
Целюлоза має склад С6Н10О5. Відомо, які продукти утворилися під час її згоряння — це вода, вуглекислий газ та вугілля.
Неважко записати рівняння реакції горіння целюлози та підібрати до нього коефіцієнти: С6Н10О5 + 6O2 = 6СO2 + 5Н2O.
Очевидно, що і ця реакція необоротна: з вуглекислого газу та води, як цю суміш не нагрівати, чим би не опромінювати, целюлозу не отримаєш!
Значить, «правильно» записане (тобто із виконанням закону збереження атомів) рівняння реакції нічого не говорить про те, чи буде вона оборотною чи ні. Не говорить воно і про те, чи можлива ця реакція.
Отже, як взятися за отримання нових речовин, хімікам необхідно було навчитися дещо прогнозувати.
І тут постають питання двох типів.
Перший такий: чи можна дізнатися теоретично, не проводячи експериментів, чи можлива дана реакція, чи піде вона, якщо змішати ті чи інші реагенти? І що потрібно зробити,щоб вона пішла (можна, наприклад, змінювати тиск і температуру, вводити каталізатори, висвітлювати суміш ультрафіолетом...
)? Потрібно також знати, чи реакція пройде до кінця або зупиниться незабаром після початку. А якщо зупиниться, то на яку глибину пройде за цих умов.
А ось питання іншого типу. Чому одні реакції йдуть дуже швидко (багато реакцій горіння), інші — повільніше (розчинення заліза в кислоті) чи навіть дуже повільно (перетворення виноградного соку на вино чи оцет, іржавіння заліза та інших.)? Що можна зробити, щоб прискорити необхідні реакції, а непотрібні сповільнити?
І, нарешті, найскладніше питання. Ось ми маємо точний план, молекулярна конструкція якихось речовин.
І ми знаємо, як влаштовано речовину, яку нам потрібно отримати.
Чи зможемо його синтезувати і як? Чи зможемо з природного газу метану СН4 та кисню повітря O2 отримати дуже важливий для хімічної промисловості метиловий спирт СН3ОН?
Адже це не деталі в конструкторі, які можна роз'єднати, а потім зібрати щось нове.
Отже реакції йдуть якось інакше. А як? Справа в тому, що правильно розставлені коефіцієнти в рівнянні реакції (наприклад, С6Н10О5 + 6О2 = 6СО2 + 5Н2О) нічого не говорять про механізм процесу.
Вони показують лише, у яких співвідношеннях вступають у реакцію вихідні речовини та утворюються продукти реакції. Найважче ж питання, яке може виникнути з приводу реакції горіння целюлози (а також майже будь-якої іншої реакції), полягає в тому, яким чином вихідні речовини (реагенти) перетворюються на продукти реакції.
Який їхній механізм? Чи можна вказати, який атом куди «пішов» і якими шляхами «прийшов» до своєї мети?
Що відбувається в той проміжок часу, коли вихідніречовини перетворюються на продукти реакції?
У ході будь-якої хімічної реакції змінюється взаємне розташування атомів, тобто порядок, у якому вони пов'язані один з одним. Але що відбувається з атомами, коли вони переходять із однієї речовини до іншої?
Як вони «від'єднуються» один від одного і з'єднуються знову вже в іншому порядку?