Химическая реакция
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Изучение химического строения веществ — лишь частная задача химии, которую она решает в содружестве с физикой. Главное содержание химии — изучение взаимных превращений веществ, происходящих при химических реакциях. Если при каком бы то ни было превращении вещества происходит разрыв или образование новых химических связей, мы имеем дело с химической реакцией.
Образование горных пород и минералов, фотосинтез в листьях растений, мышечные сокращения и синтез белка в живом организме — все эти превращения сопровождаются разрывом и образованием бесконечно разнообразных химических связей.
Первой химической реакцией, которой человек научился пользоваться сознательно, было, пожалуй, горение. Конечно, костер, сложенный первобытным человеком, не мог служить средством получения каких-либо веществ, однако выделение тепла и света, сопровождающее соединение элементов древесины с кислородом, принесло человечеству неоценимую пользу.
Необходимость изготовления все более и более совершенных орудий труда привела к открытию способов выплавки металлов из руд; это послужило началом практического освоения реакций восстановления.
В Древнем Египте уже существовало значительное производство металлов; египтяне владели секретом изготовления стекла, умели выделять и использовать природные красители, концентрировать вино перегонкой.
По преданию, египетская царица Клеопатра (I век до н. э.) в ответ на пышное празднество, устроенное в ее честь Марком Антонием, растворила в бокале с уксусом бесценную жемчужину, надеясь таким способом поразить воображение гостей. Сущность этих химических упражнений Клеопатры заключалась, в следующем — углекислый кальций (известняк), из которого на 91—92% и состоит жемчуг, реагирует с уксусной кислотой, в результате образуется растворимый уксуснокислый кальций, вода и углекислый газ:
СаСО3 + 2СН3СООН – Са(ОСОСН3)2 +Н2О+С02.
Конечно, царица не смогла бы написать это уравнение, однако несомненно, что химические познания древних египтян были весьма обширны. Особенно преуспели в химии жрецы, использовавшие химические реакции для придания мистического характера службе в храмах. Об этом напоминает, например, такое химическое название, как аммиак (по-английски — ammonia, по-немецки — Ammonia), берущее свое начало от бога Аммона, в храме которого для создания «дымовых эффектов» использовался нашатырь (хлористый аммоний).
Период алхимии ознаменовался открытием большого числа новых реакций и новых веществ; очень важно, что среди этих веществ были уже и такие, которых не было в природе. Они были созданы человеком.
Общей чертой всей химии вплоть до XVIII века было непонимание сущности химических реакций. Следуя учению Эмпедокла и Аристотеля, алхимики считали, что все тела представляют собой совокупность качеств (отсюда и утопическая надежда при смешении нужных качеств получить благородные металлы, в первую очередь золото). Отсутствовало представление об истинных химических элементах, образующих реальные вещества при соединении друг с другом в определенных соотношениях; из-за этого часто невозможно было предвидеть результат той или иной реакции.
Эта трудность была в основном преодолена в 19-м веке, когда окончательно победило атомно-молекулярное учение, были выделены в свободном состоянии основные элементы, была создана теория химического строения.
Прошлый век выдвинул на первый план вопросы о природе химической связи и о динамике химических превращений. Теперь нас интересует не только конечный результат реакции, но и то, как она протекает, то есть ее механизм. Это позволяет сознательно применять те или иные химические превращения для получения нужных веществ, правильно подбирать катализаторы, режим процесса — словом, освобождает от необходимости работать вслепую.
Те химические уравнения, с которыми читатель сталкивался в школе, описывают, по существу, именно конечный результат реакции; вопрос о том, как и почему она протекает, на школьных уроках чаще всего даже не ставится.
Прежде всего любая реакция может начаться только в том случае, если реагирующие атомы встречаются друг с другом. Чтобы двум частицам отыскать друг друга в атомном хаосе, они должны довольно быстро передвигаться. Чем быстрее они движутся, то есть чем больше скорость их хаотического движения, тем больше вероятность их встречи. Если сами частицы не обладают нужной для этого энергией, химики «подхлестывают» их: повышают температуру. Каждые 10° увеличивают скорость реакции в 2—3 раза.
Но когда мы сообщаем какую-то энергию всей атомной «толпе», энергия эта делится между всеми частицами далеко не поровну. Кому-то достается больше, кому-то меньше. Те «счастливчики», кому досталось больше энергии, становятся возбужденными; и вот именно они, встречаясь друг с другом, и вступают в химическую реакцию.
Предположим, встретились две молекулы: АВ и СД. И, прореагировав, дали два новых вещества: АС и ВД. Как складывались их взаимоотношения во время реакции? Встреча может происходить по двум вариантам. Либо разрыв старых связей и завязывание новых происходит одновременно; либо встречающиеся молекулы развязывают себе руки, разрывают существовавшие связи и предоставляют право образовавшимся при этом свободным; активным частицам — А, В, С, Д самим использовать свою свободу и активность и соединяться друг с другом в «новом варианте».
Многочисленные опыты показали, что путь, по которому реагирующие атомы приходят к «новой жизни», зависит от характера химических связей. Если связь ионная и если среда, в которой идет реакция, не мешает молекуле распадаться на ионы, то все ясно как день: сначала распад на ионы — активные, свободные частицы,— а затем уж обмен ионами и рождение «нового» соединения. По этому пути реагируют молекулы солей в водных растворах.
Сложнее обстоит дело, если молекула «держится» ковалентными связями. Мы уже знаем, что так построено большинство органических соединений. Поэтому, когда реагируют органические вещества, возникает серьезная проблема: как делить «имущество» — пару электронов? Принадлежит эта пара обоим связанным атомам, она и связывает их, а делить ее как-то надо; атомы расходятся. Вариантов опять два; либо по электрону на «брата», либо одному — все, а другому — ничего.
Первый тип разрыва связей, кажущийся более справедливым, называется гомолитическим, второй — гетеролитическим.
Ионные реакции, естественно, проходят по второму механизму; один из атомов, у которого сродство к электронам больше, по праву сильного забирает оба их себе и становится отрицательно заряженным ионом; другому ничего не остается, как довольствоваться положительным зарядом.
Ионные реакции протекают с громадными скоростями. Это связано в значительной мере с тем, что ионы не надо подгонять: скорость их взаимодействия не зависит от температуры. По гетеролитическому типу идут такие важнейшие промышленные реакции, как анионная полимеризация. С ее помощью получают каучук и пластические массы.
Гомолитически — с «разделом» пары электронов — идет большинство газовых реакций и реакций с участием газов. Наиболее распространенный гомолитический процесс — горение.
Разрыв ковалентных связей с «разделом» электронов приводит к образованию свободных радикалов, которые, в свою очередь, дают начало новым гемолитическим реакциям. Поэтому такие реакции могут идти с огромными скоростями, даже со взрывом. Это надо иметь в виду, так как иногда для гемолитического разрыва связей достаточно даже энергии света.
Кстати, раньше, когда механизм этих реакций не был известен, непременным условием успешного проведения некоторых опытов считалось действие на смесь исходных веществ прямого солнечного света. Сейчас кажется, по меньшей мере, странным, что еще совсем недавно успех работы химика нередко зависел… от погоды. Понимание внутренней динамики гомолитических реакций освобождает химию от столь унизительной зависимости. Ныне цепные гемолитические процессы широко используются в промышленности: так получают полистирол, поливинилхлорид, органическое стекло и множество других ценных продуктов.
Разрыв ковалентных связей происходит, как правило, труднее, чем разрыв ионных; чтобы заставить атомы решиться на «раздел» своей пары электронов, их надо «подтолкнуть» — сообщить им значительное количество энергии. Когда реакция началась, об этом уже можно не беспокоиться: «подталкивать» исходные вещества будет тепло, выделяющееся при образовании новых связей.
Автор: О. Охлобыстин.