Хімічна реакція
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Вивчення хімічної будови речовин – лише приватне завдання хімії, яке вона вирішує в співдружності з фізикою. Головний зміст хімії – вивчення взаємних перетворень речовин, що відбуваються при хімічних реакціях. Якщо при якому б то не було перетворенні речовини відбувається розрив або утворення нових хімічних зв’язків, ми маємо справу з хімічною реакцією.
Утворення гірських порід і мінералів, фотосинтез в листі рослин, м’язові скорочення і синтез білка в живому організмі – всі ці перетворення супроводжуються розривом і утворенням нескінченно різноманітних хімічних зв’язків.
Першою хімічною реакцією, якою людина навчилася користуватися свідомо, було, мабуть, горіння. Звичайно, багаття, складене первісною людиною, не могло служити засобом отримання будь-яких речовин, проте виділення тепла і світла, що супроводжує з’єднання елементів деревини з киснем, принесло людству неоціненну користь.
Необхідність виготовлення все більш і більш досконалих знарядь праці привела до відкриття способів виплавки металів з руд; це послужило початком практичного освоєння реакцій відновлення.
У Стародавньому Єгипті вже існувало значне виробництво металів; єгиптяни володіли секретом виготовлення скла, вміли виділяти і використовувати природні барвники, концентрувати вино перегонкою.
За переказами, єгипетська цариця Клеопатра (I століття до н. е.) у відповідь на пишне святкування, влаштоване в її честь Марком Антонієм, розчинила в келиху з оцтом безцінну перлину, сподіваючись у такий спосіб вразити уяву гостей. Сутність цих хімічних вправ Клеопатри полягала, в наступному – вуглекислий кальцій (вапняк), з якого на 91-92% і складається перли, реагує з оцтовою кислотою, в результаті утворюється розчинний оцтовокислий кальцій, вода і вуглекислий газ:
СаСО3 + 2СН3СООН – Са (ОСОСН3) 2 + Н2О + С02.
Звичайно, цариця не змогла б написати це рівняння, однак безсумнівно, що хімічні пізнання древніх єгиптян були досить великі. Особливо досягли успіху в хімії жерці, які брали хімічні реакції для додання містичного характеру службі в храмах. Про це нагадує, наприклад, така хімічна назва, як аміак (по-англійськи – ammonia, по-німецьки – Ammonia), що бере свій початок від бога Амона, в храмі якого для створення «димових ефектів» використовувався нашатир (хлористий амоній).
Період алхімії ознаменувався відкриттям великого числа нових реакцій і нових речовин; дуже важливо, що серед цих речовин були вже й такі, яких не було в природі. Вони були створені людиною.
Спільною рисою всієї хімії аж до XVIII століття було нерозуміння сутності хімічних реакцій. Дотримуючись вчення Емпедокла і Аристотеля, алхіміки вважали, що всі тіла являють собою сукупність якостей (звідси і утопічна надія при змішуванні потрібних якостей отримати благородні метали, в першу чергу золото). Було відсутнє уявлення про справжні хімічні елементи, що утворюють реальні речовини при з’єднанні один з одним в певних співвідношеннях; через це часто неможливо було передбачити результат тієї чи іншої реакції.
Ця трудність була в основному подолана в 19-м столітті, коли остаточно перемогло атомно-молекулярне вчення, були виділені у вільному стані основні елементи, була створена теорія хімічної будови.
Минуле століття висунуло на перший план питання про природу хімічного зв’язку і про динаміку хімічних перетворень. Тепер нас цікавить не тільки кінцевий результат реакції, але і те, як вона протікає, тобто її механізм. Це дозволяє свідомо застосовувати ті чи інші хімічні перетворення для отримання потрібних речовин, правильно підбирати каталізатори, режим процесу – словом, звільняє від необхідності працювати наосліп.
Ті хімічні рівняння, з якими читач стикався в школі, описують, по суті, саме кінцевий результат реакції; питання про те, як і чому вона протікає, на шкільних уроках найчастіше навіть не ставиться.
Перш за все будь-яка реакція може початися тільки в тому випадку, якщо реагують атоми, що зустрічаються один з одним. Щоб двом частинкам відшукати один одного в атомному хаосі, вони повинні досить швидко пересуватися. Чим швидше вони рухаються, тобто чим більше швидкість їх хаотичного руху, тим більша ймовірність їх зустрічі. Якщо самі частки не мають потрібної для цього енергії, хіміки «підхльостують» їх: підвищують температуру. Кожні 10° збільшують швидкість реакції в 2-3 рази.
Але коли ми повідомляємо якусь енергію всьому атомному «натовпу», енергія ця ділиться між усіма частинками далеко не порівну. Комусь дістається більше, комусь менше. Ті «щасливчики», кому дісталося більше енергії, стають збудженими; і ось саме вони, зустрічаючись один з одним, і вступають в хімічну реакцію.
Припустимо, зустрілися дві молекули: АВ і СД. І, прореагувавши, дали дві нових речовини: АС і ВД. Як складалися їхні стосунки під час реакції? Зустріч може відбуватися за двома варіантами. Або розрив старих зв’язків і зав’язування нових відбувається одночасно; або молекули, що зустрічаються розв’язують собі руки, розривають існуючі зв’язки і надають право утвореним при цьому вільним; активним частинкам – А, В, С, Д самим використовувати свою свободу і активність і з’єднуватися одна з одною в «новому варіанті».
Численні досліди показали, що шлях, по якому реагуючі атоми приходять до «нового життя», залежить від характеру хімічних зв’язків. Якщо зв’язок іонний і якщо середовище, в якому йде реакція, не заважає молекулі розпадатися на іони, то все ясно як день: спочатку розпад на іони – активні, вільні частки, – а потім вже обмін іонами і народження «нового» з’єднання. Цим шляхом реагують молекули солей у водних розчинах.
Складніше йде справа, якщо молекула «тримається» ковалентними зв’язками. Ми вже знаємо, що так побудована більшість органічних сполук. Тому, коли реагують органічні речовини, виникає серйозна проблема: як ділити «майно» – пару електронів? Належить ця пара обом пов’язаним атомам, вона і пов’язує їх, а ділити її якось треба; атоми розходяться. Варіантів знову два; або по електрону на «брата», або одному – все, а іншому – нічого.
Перший тип розриву зв’язків, здається більш справедливим, називається гомолітичним, другий – гетеролітичним.
Іонні реакції, природно, проходять по другому механізму; один з атомів, у якого спорідненість до електронів більше, по праву сильного забирає обидва їх собі і стає негативно зарядженим іоном; іншому нічого не залишається, як задовольнятися позитивним зарядом.
Іонні реакції протікають з величезними швидкостями. Це пов’язано в значній мірі з тим, що іони не треба підганяти: швидкість їх взаємодії не залежить від температури. За гетеролітичними типами йдуть такі найважливіші промислові реакції, як аніонна полімеризація. З її допомогою отримують каучук і пластичні маси.
Гомолітичні – з «розділом» пари електронів – йде більшість газових реакцій і реакцій за участю газів. Найбільш поширений гомолітичний процес – горіння.
Розрив ковалентних зв’язків з «розділом» електронів призводить до утворення вільних радикалів, які, в свою чергу, дають початок новим гемолітичним реакціям. Тому такі реакції можуть йти з величезними швидкостями, навіть з вибухом. Це треба мати на увазі, так як іноді для гемолітичного розриву зв’язків досить навіть енергії світла.
До речі, раніше, коли механізм цих реакцій не був відомий, неодмінною умовою успішного проведення деяких дослідів вважалася дія на суміш вихідних речовин прямого сонячного світла. Зараз здається, щонайменше, дивним, що ще зовсім недавно успіх роботи хіміка нерідко залежав… від погоди. Розуміння внутрішньої динаміки гомолітичних реакцій звільняє хімію від настільки принизливої залежності. Нині ланцюгові гемолітичні процеси широко використовуються в промисловості: так отримують полістирол, полівінілхлорид, органічне скло і безліч інших цінних продуктів.
Розрив ковалентних зв’язків відбувається, як правило, важче, ніж розрив іонних; щоб змусити атоми зважитися на «розділ» своєї пари електронів, їх треба «підштовхнути» – передати їм значну кількість енергії. Коли реакція почалася, про це вже можна не турбуватися: «підштовхувати» вихідні речовини буде тепло, що виділяється при утворенні нових зв’язків.
Автор: О. Охлобистін.