Текст книги "Занимательно о химии"
Автор книги: Лев Власов
Соавторы: Дмитрий Трифонов
Жанр:
Химия
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 13 страниц)
Не с неба упало такое решение: подобное уже случалось в менделеевской таблице. В ее шестом периоде. Ведь все лантаноиды общим числом 14 располагают в третьей группе, в одной клетке лантана.
Периодом ниже должна появиться такая же картина – это давно предсказывали физики. В седьмом периоде, говорили они, должно существовать семейство элементов, подобное лантаноидам. Семейство, чье имя – актиноиды. Потому что начинаться оно будет сразу же после актиния. Он в таблице стоит как раз под лантаном.
Стало быть, все трансурановые элементы – члены этого семейства. Не только они, но и уран и его ближайшие левые соседи – протактиний и торий. Им всем надлежало покинуть старые, обжитые места в шестой, пятой и четвертой группах. И перебраться в третью.
Почти сто лет назад Менделеев выселил уран из этой группы. Теперь он снова оказался в ней. Но уже с новым «видом на жительство». Вот какие курьезы встречаются в жизни периодической системы.
Физики согласны с таким положением дел. Химики же – не все и не полностью, потому что в третьей группе уран по своим свойствам такой же чужак, каким был во времена Менделеева. И для тория с протактинием третья группа не подходит.
Где твое место, уран? Ученым еще придется об этом поспорить.
Маленькие истории из области археологии
Когда человек впервые стал применять для своих нужд железо? Ответ, казалось бы, сам собой напрашивается: когда научился выплавлять железо из руд. Историки даже установили приблизительную дату этого великого события. Дату наступления на Земле «железного века».
А век-то этот, он наступил раньше, чем первобытный металлург в примитивной домне добыл первые килограммы железа. К такому выводу пришли химики, вооруженные могущественными методами анализа.
Первые куски железа, которыми воспользовались наши предки, в самом прямом смысле упали с неба. В так называемых железных метеоритах всегда, кроме железа, содержится никель и кобальт. Анализируя состав некоторых древнейших железных орудий, химики обнаружили в них присутствие соседей железа по таблице Менделеева – кобальт и никель.
А в железных рудах Земли они встречаются далеко не всегда.
Бесспорен ли этот вывод? На сто процентов утверждать не беремся… Познавать древность – дело исключительно нелегкое. Зато здесь можно столкнуться с неожиданностями удивительными.
Вот какую пилюлю преподнесли однажды археологи историкам химии.
…В 1912 году профессор Оксфордского университета Гюнтер производил раскопки древнеримских развалин близ Неаполя и обнаружил стеклянную мозаику удивительной красоты. За два тысячелетия окраска стекол, казалось, совсем не потускнела.
Гюнтер заинтересовался составом красок, которые применялись древними римлянами. Два образчика бледно-зеленоватого стекла отправились в путешествие. В Англии они попали в руки химика Маклея.
Проведен анализ: ничего неожиданного не обнаружено. Разве что содержится какая-то примесь в количестве около полутора процентов. И объяснить ее природу Маклей затрудняется.
Тут в дело вмешивается случай. Кому-то приходит в голову испытать образец примеси на радиоактивность. Мысль оказывается более чем удачной, потому что примесь действительно радиоактивна. Какой же элемент является ее причиной?
Наступает очередь химиков – и те докладывают: неизвестная примесь есть не что иное, как окись урана.
Открытие ли это Америки? Пожалуй, нет. Соли урана давненько применяются для окраски стекол. Вот пример первого практического применения урана. В римских же стеклах уран, по-видимому, оказался случайно.
Временно в этой истории ставится точка. Проходят десятилетия, и забытый факт попадает в поле зрения американского археолога и химика Келея.
Келей проводит большую работу, повторяет анализы, сопоставляет данные. И приходит выводу: присутствие урана в древнеримских стеклах не случайность, скорее закономерность. Римляне были знакомы с минералами урана и пользовались ими для практических нужд. В частности, для окраски стекол.
Не здесь ли истоки биографии урана?
Уран и его профессии
Девяносто второй элемент менделеевской таблицы в двадцатом столетии стал едва ли не самым знаменитым. Потому что именно он заставил работать ядерный реактор. Он дал людям ключ к овладению энергией принципиально нового типа.
И добывают теперь уран в больших количествах: более сорока тысяч тонн за год во всем мире. Ядерной энергетике этого пока вполне хватает.
Но вот парадокс: непосредственно («по назначению») используется не более 5 процентов добытого урана. Остальные 95 называют отвальным ураном. Он уже непосредственно не годится в работу, так как содержит слишком мало изотопа урана-235. Того, что служит основным ядерным горючим.
Так неужели труды геологов, горняков и химиков во многом затрачиваются вхолостую?
Напрасное опасение: у урана немало других, «неядерных» профессий. Просто неспециалисты о них мало знают. А зря. Уран с интересом изучают биологи. Оказывается, девяносто второй просто необходим для нормального развития растений. Он, например, заметно увеличивает содержание сахара в моркови и свекле, а также в некоторых фруктах. Уран помогает развиваться ценным почвенным микроорганизмам.
Уран нужен и животным. Ученые проделали интересный опыт. Крыс в течение года подкармливали небольшими количествами урановых солей. Содержание элемента оставалось в организме практически неизменным. Никаких вредных последствий не наблюдалось. Между тем вес животных увеличился почти в два раза.
Исследователи считают, что уран очень сильна способствует усвоению фосфора, азота и калия – важнейших жизненных элементов.
Уран в медицине? Это одно из самых старых практических амплуа элемента. Его солями пытались лечить разные болезни: диабет, всевозможные кожные заболевания, наконец, опухоли. И небезуспешно. Сейчас «уранотерапия» снова на повестке дня.
В металлургии уран находит любопытное использование. Его сплав с железом (ферроуран) добавляют в сталь для удаления кислорода и азота. Ферроуран позволяет изготовлять стали, которые могут работать при очень низких температурах. А вот ураноникелевые стали весьма устойчивы даже к самым сильным химическим реагентам, например к «царской водке» (смеси азотной и соляной кислот).
Как катализаторы многих химических реакций уран и его соединения также очень интересны и своеобразны. Синтез аммиака из азота и водорода проводят иногда с помощью карбида урана. Окислы урана ускоряют процессы окисления метана кислородом, получения метилового и этилового спиртов из окиси углерода и водорода, приготовления уксусной кислоты. Немало продуктов органической химии удается получить, используя урановые катализаторы.
Химия урана необычно богата. В своих соединениях он может выступать в различных валентных состояниях: шести-, пяти-, четырех– и трехвалентном. Соединения урана различной валентности настолько отличаются друг от друга, что можно говорить как бы о химии четырех различных элементов.
Недостроенное здание?
Много добрых слов посвятили мы периодической системе и ее великому архитектору. И вдруг спохватились: а ведь здание-то не достроено. Седьмой его этаж возведен чуть больше чем наполовину. На нем должно быть 32 квартиры, а оборудовано всего 17. Да и квартиранты здесь какие-то странные: сразу и не поймешь, проживают ли они или нет. Словом, сплошная фантасмагория.
Химики и физики давно уже спорят: имеет ли таблица Менделеева логический конец? Или, проще говоря, какой порядковый номер должен иметь самый последний элемент?
Лет сорок назад на страницах специальных серьезных статей и книг по физике замелькало число 137. Один крупный ученый даже написал брошюру, которую прямо так и озаглавил «Магическое число 137».
Чем же оно примечательно?
В атомах самая близкая к ядру электронная оболочка не располагается всегда на одном и том же расстоянии от него. Растет ядерный заряд, и радиус оболочки становится меньше. В атоме урана она куда ближе к ядру, чем, скажем, в атоме калия. В конце концов должен наступить момент, когда и ядро и ближняя к нему оболочка будут одного размера. А что произойдет в этом случае с ее электронами?
Они «упадут» на ядро, поглотятся им. Но когда в ядро извне проникает отрицательный заряд, общий положительный заряд ядра уменьшается на единицу. Стало быть, образуется элемент, порядковый номер которого на единицу меньше.
Вот он – предел числа элементов. Самой последней в Большом доме оказывается квартира номер 137.
Потом, лет десять назад, физики убедились в ошибке. Они проделали более точные расчеты. И показали: электрон рухнет на ядро с зарядом что-то около 150.
Видите, сколь радужны перспективы достройки Большого дома! Сколько новых элементов, сколько неожиданных открытий поджидает химиков в будущем! Более сорока квартирантов ожидают ордера на въезд в здание, заложенное Менделеевым.
Увы, пока это лишь сказка, заманчивая, но еще несбыточная фантазия.
Вычисляя порядковый номер самого последнего элемента, ученые не принимали во внимание одного существеннейшего обстоятельства. Не потому, что забыли. Просто хотели посмотреть, что было бы, если бы…
Если бы не было явления радиоактивности. Если бы ядра с очень большими зарядами были так же устойчивы, как ядра весьма многих элементов, обитающих на Земле.
Радиоактивность – полновластный хозяин среди элементов тяжелее висмута. Только одним она определяет долгие жизненные сроки, другим отводит мгновения.
У сто четвертого элемента, курчатовия, период полураспада всего три десятых секунды.
У сто пятого, сто шестого? Наверное, и того меньше. И где-то недалеко печальный барьер: ядро нового элемента погибнет, едва успев родиться. Хорошо еще, если им окажется сто десятый…
Сама природа, ее строгие физические закономерности повинны в том, что здание таблицы Менделеева остается недостроенным.
Но ведь сколько было примеров, когда человек побеждал природу!
Гимн современным алхимикам
Злосчастных алхимиков средневековья пытали по всем правилам испанской инквизиции и сжигали на кострах.
Современных «ядерных» алхимиков с почтением цитируют и награждают Нобелевскими премиями.
Те верили слишком во многое, не ведали, что творят. Их «теорией» были заклинания и молитвы да слепая убежденность в чудесных свойствах таинственного философского камня.
Эти не верят ни в бога, ни в черта. Они верят в силу человеческого разума и бесконечную изобретательность рук человеческих. Они признают добротную, строгую физическую теорию, где много физики, много математики и еще больше дерзких предположений и гипотез.
Алхимики наших дней хотят пробиться в область очень тяжелых элементов.
Но не уподобляются ли они строителям воздушных замков? Ведь только что мы упомянули, что для элементов с порядковыми номерами около 110 радиоактивность определяет более чем жесткие сроки существования.
Так-то оно так, да не совсем. Великий датский физик Нильс Бор высказался однажды о пользе «сумасшедших» идей. Только они, по мнению ученого, способны перевернуть бытующие представления о мироздании.
Есть такие идеи и у создателей сверхтяжелых элементов. Только, пожалуй, «сумасшедшего» в этих идеях не больше, чем, скажем, в теории относительности. Они глубоко продуманы, имеют под собой прочный физический фундамент, выверены тщательными математическими расчетами.
И суть их такова: в области ядер с большими зарядами должны существовать своеобразные «островки устойчивости». Это не значит, что расположенные на них элементы вовсе не будут подвержены радиоактивному распаду. Они просто окажутся более живучими, чем соседи, и просуществуют такой отрезок времени, что удастся не только синтезировать эти элементы, но и исследовать их основные свойства.
Один из таких «островков» – элемент с порядковым номером 126.
Пока все это теория. Теперь дело за практикой. Как изготовить сто двадцать шестой?
Обычные методы ядерной химии бессильны. Ни нейтроны, ни дейтроны, ни альфа-частицы, ни даже ионы легких элементов – аргона, неона, кислорода – здесь не помогут. Потому что нет подходящего элемента-мишени. Все доступные слишком далеко отстоят от номера 126.
И приходится изобретать необычайные методы.
Вот какой оригинальный способ обсуждают сейчас ученые: обстрелять уран ураном. Разогнать ионы урана на специальном ускорителе и обрушить их потом на урановую мишень.
Что получится? Два ядра урана сольются в одно чудовищно сложное ядро. Уран несет заряд, равный 92. Значит, ядро-гигант будет обладать зарядом 184. Оно не имеет не только возможности существовать, но даже права на существование. И моментально развалится на два осколка, с разными массами и разными зарядами. Весьма вероятно, что один из них окажется ядром с зарядом 126…
Такова идея. Было бы ошибкой не верить в то, что она осуществится. Ибо такова жизнь.
На краю Ойкумены
Когда это случится, неизвестно. Но случится. Человек одержит великую победу над природой, быть может, самую большую за всю свою историю.
Он научится управлять радиоактивностью. Неустойчивые элементы сумеет сделать устойчивыми. И наоборот, заставит распадаться самые что ни на есть прочные ядра.
Эту гипотезу пока не взяли на вооружение авторы научно-фантастических романов. А ученые все еще недоуменно пожимают плечами: сейчас они еще не видят практических и теоретических путей к обузданию радиоактивной стихии.
Но мы убеждены, что когда-нибудь эти пути будут найдены. Пусть самым неведомым способом. Таким же неведомым, как атомная электростанция для питекантропов, как метко выразился однажды автор одной научно-популярной книги.
Предположим: желаемое, наконец, осуществилось. Тогда синтез сверх тяжелых элементов перестанет быть проблемой. Ученые получат в свое распоряжение десятки новых обитателей Большого дома. Химики яростно примутся за их изучение.
И столкнутся с неожиданным.
Впрочем, «неожиданным» не совсем то слово. В чем эта неожиданность будет заключаться, известно даже сейчас.
Можем ли мы предсказать свойства, ну, скажем, уже упомянутого элемента номер 126?
Да, и без особого труда.
Вообще-то говоря, мысленно продолжать периодическую систему при желании можно сколь угодно далеко. Ведь физический принцип ее построения в общем и целом ясен. Одному из авторов этих строк некий умелец демонстрировал таблицу, содержащую тысячу элементов. На законный вопрос: «А почему, собственно, тысячу, а не две или не десять?» – «изобретатель» смущенно ответил: «Да, понимаете, бумаги не хватило…»
Но это из области курьезов. Про сто двадцать шестой элемент мы можем сказать совершенно серьезно и определенно: он будет относиться к новому семейству элементов, семейству поразительному. Такого химики еще не видывали.
Семейство начнется у элемента номер 121. И все его восемнадцать членов будут похожи друг на друга несравненно больше, чем наши старые знакомые лантаноиды. Странные жители Большого дома станут различаться между собой едва ли в большей степени, чем изотопы одного и того же элемента.
И все потому, что в атомах элементов этого семейства происходит заполнение четвертой снаружи оболочки, а три внешние устроены совершенно одинаково. Какой хоть сколько-нибудь заметной разницы химических свойств можно ожидать в этом случае?
Один из рассказов мы назвали «Четырнадцать близнецов». Если бы мы решили описать свойства предполагаемого семейства, то, право же, над заголовком пришлось бы поломать голову. «Восемнадцать абсолютно одинаковых» или «Восемнадцать – и все на одно лицо». Ведь слово «близнецы» здесь, как любят говорить физики, «не работает».
Но наша книга не научно-фантастическое произведение. Воздержимся от конкретных характеристик. Подождем лучших времен…
Да, еще проблема: как разместить в периодической системе восемнадцать «абсолютно одинаковых»?
Честно скажем: отчетливо мы себе это не представляем. Тем более что до сих пор не утихают споры о месте лантаноидов и актиноидов, а это все же дело более простое.
Мы желаем тебе, читатель, долгой жизни. Но полагаем, однако, что, когда вопрос о месте восемнадцати в Большом доме приобретет практический интерес, тебя уже не будет на свете. А вот твоим потомкам, близким ли, далеким, им-то уж наверняка придется искать ответ.
«Святцы» элементов
Один чудак, когда ему рассказали о звездах, о том, как они устроены и почему светят, воскликнул: «Это я все понимаю! А каким образом астрономы узнали, как различные звезды называются?»
Звездные каталоги насчитывают сотни тысяч «окрещенных» небесных светил. Но не думайте, что для всех придуманы звучные имена вроде «Бетельгейзе» или «Сириус». Для обозначения звезд астрономы предпочитают пользоваться своеобразным шифром – комбинацией букв и цифр. Иначе нельзя. Иначе запутаешься. А по шифру специалист легко определит, в каком месте небосвода звезда находится и к какому спектральному классу принадлежит.
Химических элементов несравненно меньше, чем звезд. Но и здесь за названиями скрываются волнующие истории открытий. И нередко химик, найдя новый элемент, вставал в тупик: как же «окрестить» «новорожденного»?
Важно было придумать название, которое хоть что-то говорило о свойствах элемента. Это, если хотите, деловые имена. От них не веет романтикой. Например, водород (по-гречески «рождающий воду»), кислород («рождающий кислоты»), фтор («разрушающий»), фосфор («несущий свет»). В названиях запечатлелись важные свойства элементов.
Некоторые элементы наименованы в честь планет солнечной системы – селен и теллур (от греческих слов «Селена» – Луна и «Теллурис» – Земля), уран, нептуний и плутоний.
Кое-какие названия заимствованы из мифологии.
Вот тантал. Так звали любимого сына Зевса. За преступление перед богами Тантал был сурово наказан. Он стоял по горло в воде, и над ним свисали ветви с сочными, ароматными плодами. Но едва он хотел напиться, как вода утекала от него; едва желал утолить голод и протягивал руку к плодам – ветви отклонялись в сторону. Пытаясь выделить элемент тантал из руд, химики перенесли не меньшие муки, прежде чем терпение их было вознаграждено…
Титан и ванадий – их название тоже следствие влияния греческих мифов.
Известны элементы, чьи имена даны в честь различных государств или стран света. Например, германий, галлий (Галлия – старинное название Франции), полоний (в честь Польши), скандий (в честь Скандинавии), франций, рутений (Рутения – латинское название России), европий и америций. А вот элементы, названные в честь городов: гафний (в честь Копенгагена), лютеций (так в старину именовали Париж), берклий (в честь города Беркли в США), иттрий, тербий, эрбий, иттербий (их имена происходят от Иттерби – маленького городка в Швеции, где впервые был обнаружен минерал, содержащий эти элементы).
Наконец, в названиях элементов увековечены имена великих ученых: кюрий, фермий, эйнштейний, менделеевий, лоуренсий.
Только имя одного искусственно полученного элемента – сто второго – до сих пор еще не внесено в метрику.
О происхождении названий элементов древности до сих пор спорят ученые, и неясно окончательно, почему, скажем, сера называется серой, железо – железом, олово – оловом.
Видите, сколько любопытного в «святцах» химических элементов.
Змея, кусающая свой хвост
Душа химической науки
Почти все, что окружает нас на Земле, состоит из химических соединений. Из самых разнообразных сочетаний химических элементов.
Лишь ничтожная доля земной материи предстает в виде элементарных веществ: благородные газы, платиновые металлы, углерод в различных формах – вот, пожалуй, и все.
Возможно, в очень отдаленные времена тот сгусток космической материи, из которой в конце концов, образовалась наша планета, состоял целиком из одних лишь атомов почти сотни химических элементов. Шли столетия, тысячелетия, миллионы лет. Менялись условия. Атомы взаимодействовали друг с другом. Начала свою работу гигантская химическая лаборатория природы. Природа-химик в течение долгой своей эволюции научилась готовить самые разнообразные вещества. От простейшей молекулы воды до бесконечно сложных белков.
Эволюция земного шара и жизни на нем во многом обязана химии.
Ибо все многообразие химических соединений возникло благодаря процессам, называемым химическими реакциями. Они подлинная душа науки химии, ее главное содержание. Невозможно даже приблизительно подсчитать, сколько химических реакций происходит в мире, скажем, в течение всего лишь одной секунды.
Чтобы человек мог произнести, например, слово «секунда», в его мозгу должны совершиться многие химические процессы. Мы говорим, думаем, радуемся, печалимся – и за всеми этими действиями скрываются миллионы химических реакций. Они проходят для нас незримо, но огромную массу химических взаимодействий мы наблюдаем ежедневно, походя, совершенно не вдумываясь в их содержание.
…Бросили в крепкий чай кружочек лимона – и цвет напитка бледнее, чиркнули спичкой – и загорелся деревянный стержень, дерево превратилось в уголь.
Все это химические реакции.
Первобытный человек, который научился разжигать костер, был и первым химиком. Он по своему желанию осуществил первую химическую реакцию – реакцию горения. Самую нужную, самую важную в истории человечества.
Она давала нашим далеким предкам тепло, обогревала их жилища в холодные дни. В наше время она открыла путь в космос, подняв в небо многотонные ракеты. Легенда о Прометее, подарившем людям огонь, в то же время и легенда о первой химической реакции.
Когда простые или сложные вещества вступают во взаимодействие друг с другом, они обычно дают знать об этом.
Бросьте в раствор серной кислоты кусочек цинка. Моментально от него побегут пузырьки газа, а пройдет некоторое время – и металлическая стружка исчезнет. Цинк растворится в кислоте; при этом будет выделяться водород. Как все происходило, вы видели своими глазами.
Или подожгите комок серы. Он загорится голубоватым пламенем, и вы почувствуете удушливый запах: сера соединилась с кислородом и образовала химическое соединение – сернистый ангидрид.
Стоит смочить белый порошок безводной сернокислой меди CuSO 4водой, как он синеет. Соль соединилась с водой, и образовались синие кристаллы медного купороса CuSO 4 · 5H 2O. Вещества такого вида называются кристаллогидратами.
Вам знаком процесс гашения извести? Негашеную известь обливают водой, получается гашеная известь Ca(OH) 2. Цвет вещества не изменился, но легко удостовериться, что реакция прошла. Как? При гашении извести выделяется много тепла.
Первое непременное условие всех до единой химических реакций: они идут с выделением или поглощением тепловой энергии. Иногда тепла выделяется так много, что это легко обнаружить на ощупь. Если мало, то помогают специальные методы измерения.
Молнии и черепахи
Страшная это штука – взрыв. Страшная потому, что взрыв происходит мгновенно. В считанные доли секунды.
А что такое взрыв? Самая обыкновенная химическая реакция, сопровождающаяся выделением большого количества газов. Пример моментально протекающего химического процесса. Скажем, горение пороха в патронной гильзе. Или взрыв динамита.
Взрыв – все-таки своего рода крайность. Большинство реакций проходят в более или менее продолжительные промежутки времени.
Течение многих реакций вроде бы и не удается обнаружить.
…В стеклянном сосуде смешаны два газа – водород и кислород, составные части воды. Сосуд может стоять сколько угодно: месяц, год, сто лет. Однако на поверхности стекла не видно ни единой капельки влаги. Похоже, что водород вовсе не соединяется с кислородом. Да нет, соединяется. Только чрезвычайно медленно. Чтобы на донышке сосуда образовалось чуть заметное количество воды, должны пройти тысячелетия.
В чем дело? В температуре. При комнатной температуре (15–20 градусов) водород и кислород взаимодействуют, но чрезвычайно медленно. Однако стоит нагреть сосуд, как его стенки запотевают: верный признак протекающей реакции. При 550 градусах сосуд разлетится на мелкие осколки: при такой температуре водород и кислород реагируют со взрывом.
Почему же тепло так ускоряет течение этого химического процесса, заставляет черепаху двигаться со скоростью молнии?
Водород и кислород в свободном виде существуют в форме молекул Н 2и О 2. Чтобы соединиться в молекулу воды, они должны столкнуться. Чем чаще такие столкновения, тем с большей вероятностью образуется молекула воды. При комнатных температуре и давлении каждая молекула водорода сталкивается 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 заметим в нашем сосуде никаких изменений ни сегодня, ни завтра, ни через десять лет. В обычных условиях очень редкое столкновение приводит к химической реакции. И секрет в том, что сталкиваются молекулы водорода и кислорода.
Прежде чем вступить в реакцию, они должны распасться на атомы. Точнее говоря, валентные связи между атомами кислорода и атомами водорода в их молекулах должны ослабнуть. Ослабнуть настолько, чтобы не препятствовать объединению разнородных атомов водорода и кислорода. Температура и играет роль кнута, подстегивающего реакцию. Она во много раз увеличивает число столкновений. Она заставляет молекулы сильнее колебаться, и это ослабляет валентные связи. А когда водород и кислород встречаются на атомном уровне, то реагируют мгновенно.
Чудесный барьер
Вообразим себе такую картину.
Не успели мы смешать водород с кислородом, как моментально появились пары воды. Едва железная пластинка пришла в соприкосновение с воздухом, как тут же покрылась рыжеватыми разводами ржавчины, а минуло еще немного времени, и твердый блестящий металл превратился в рыхлый порошок окисла.
Все до единой химические реакции в мире стали протекать с завидной скоростью. Все молекулы начали реагировать друг с другом независимо от того, какой энергией они обладают. Каждое столкновение двух молекул приводило к вступлению их в химический союз.
На Земле исчезли металлы – они окислились. Сложные органические вещества, в том числе и те, что входят в состав живой клетки, превратились в простые, но более устойчивые соединения.
Странный мир получился бы тогда. Мир без жизни, мир без химии, фантастический мир очень устойчивых соединений, не имеющих никакого желания вступать в химические взаимодействия.
К счастью, такой кошмар нам не грозит. На пути всеобщей «химической катастрофы» стоит чудесный барьер.
Этот барьер представляет собой так называемую энергию активации. Чтобы молекулы смогли вступить в химическую реакцию, их энергии должны быть не меньше соответствующих величин энергии активации.
Даже при обычной температуре, например, среди молекул водорода и кислорода отыщутся такие, у которых энергия равна энергии активации или больше ее. Потому-то образование воды идет в этих условиях, хотя и чрезвычайно медленно. Просто слишком мало достаточно энергичных молекул. А высокая температура приводит к тому, что активационного барьера достигают многие молекулы, и число актов химического взаимодействия водорода и кислорода возрастает в огромной степени.
Змея, кусающая свой хвост
У медицины есть свой символ, дошедший до нас из очень отдаленных времен. И сейчас, скажем, на погонах военных врачей можно увидеть змею, обвившуюся вокруг чаши.
Оказывается, нечто подобное есть и у химии. Это змея, кусающая свой хвост.
У древних народов существовал культ всевозможных мистических знаков, смысл которых затрудняются объяснить современные историки.
Мистика мистикой, а в «химическую змею» вложено вполне определенное содержание. Она символизирует обратимую химическую реакцию.
Два атома водорода и атом кислорода, соединяясь, дают молекулу воды. Одновременно другая молекула воды распадается на составные части. В одно и то же мгновение протекают две противоположные реакции: образование воды (прямая реакция) и ее распад (обратная реакция). Химик, желая отобразить на бумаге эти два противоречивых процесса, напишет: 2H 2 + O 2 
В принципе все до единой химические реакции обратимы.
Сначала преобладает прямая реакция. Чаша весов склоняется в сторону образования молекул воды. Потом нарастает реакция противоположная. И наконец, наступает момент, когда число образующихся молекул равно числу распадающихся. Слева ли направо, справа ли налево – реакции идут с одинаковой скоростью.
Химик скажет: наступило равновесие.
Рано или поздно оно устанавливается в любой химической реакции. Иногда мгновенно. Иногда через много дней. Раз на раз не приходится.
В своей практической деятельности химия преследует две цели. Во-первых, она стремится достичь того, чтобы химический процесс дошел до конца, чтобы все исходные продукты прореагировали между собой. Во-вторых, она ставит задачу добиться максимального выхода нужного продукта. Для осуществления этих целей необходимо как можно дольше оттянуть момент наступления химического равновесия. Прямая реакция – да, обратная – нет.
Тут-то химику и приходится стать немного математиком. Он определяет отношение двух величин: концентрации образовавшихся веществ к концентрации веществ, первоначально вступивших в реакцию.
Это отношение – дробь. Всякая дробь тем больше, чем больше ее числитель и чем меньше знаменатель.
Если преобладает прямая реакция, количество получившихся веществ со временем превысит количество исходных. Числитель станет больше знаменателя. Получится неправильная дробь. Если наоборот, налицо дробь правильная.
Химик называет величину этой дроби константой равновесия реакции К. Если он хочет, чтобы химическая реакция дала наибольшее количество нужного продукта, то предварительно должен рассчитать значение Кпри разных температурах.
А вот как эта «арифметика» выглядит на практике.
При комнатной температуре Кдля синтеза аммиака равна примерно 100 миллионам. Казалось бы, смесь азота и водорода в таких условиях моментально должна превратиться в аммиак. Однако не превращается. Очень уж мала скорость прямой реакции. Может, выйти из положения поможет повышение температуры?
Нагреваем нашу смесь до 500 градусов…
В этот момент химик схватит нас за руку:
– Что вы делаете! У вас ровным счетом ничего не получится!
Право же, он нас вовремя одернул, этот химик со своими расчетами. Они вот что показывают: при температуре в полтысячи градусов К составляет всего-навсего… шесть тысяч, 6 · 10 3! «Зеленая улица» обратной реакции 2NH 3 → 3H 2 + N 2. А мы бы нагревали и нагревали смесь и диву давались, почему у нас ничего не получается.
Для синтеза аммиака наиболее выгодны возможно низкая температура и возможно высокое давление. Здесь помогает еще один закон, управляющий миром химических реакций.
