Равновесие

Некоторые реакции протекают лишь в одном направлении, а другие - и туда и сюда, беспрестанно. В таких «гибких» реакциях есть равновесие. Равновесные реакции происходят повсюду - у вас в крови и в топливных системах, благодаря которым космонавты «Аполлона-11» вернулись на Землю.

К вам в гости должны прийти несколько друзей, и вы купили пару бутылок красного вина. Вам не терпится начать посиделки, вы открываете первую бутылку, разливаете вино по бокалам и ждете, когда все соберутся. Через час, после шквала виноватых СМС, вы с одним доехавшим другом все еще потягиваете первую порцию, а остальные бокалы стоят нетронутые. Дальше случится одно из двух. Либо ваш друг придумает какую-нибудь вежливую отговорку и уедет, а вам останется сливать вино из ничьих бокалов обратно в бутылку, либо вы вдвоем прикончите свое, а следом и остальные, а затем откупорите вторую бутылку и продолжите наливать.

Лишь бы вино лилось

Вы, возможно, недоумеваете, при чем здесь химия. Многие реакции в химии похожи на историю с неудачными винными посиделками. Так же, как процесс переливания вина из бутылки в стакан и обратно, эти реакции обратимы. В химии это называется равновесием, и от него зависит, в каком соотношении в реакционной смеси присутствуют реагенты и продукты реакции.

Вообразите, что вино в бутылке — это химические реагенты, а вино, разлитое по бокалам, — продукты реакции. Посиделки организовали вы, в ваших руках управление потоком вина, и, если кто-то допил свое, вы ему подливаете. Также и с равновесием в реакции: оно контролирует поток превращения реагентов в продукты, и, если какой-то продукт исчезает из реакционной смеси, равновесие восстанавливается путем превращения еще какого- то количества реагентов в продукты. Но обратимая реакция протекает и в противоположном направлении, и потому, если что-то вмешивается в положение дел и в смеси вдруг накапливается слишком много продукта, равновесие толкает реакцию в обратном направлении и обращает продукты в реагенты — сливает вино из бокалов в бутылку.

Существование равновесия не означает, что обе стороны уравнения равны между собой — вина, разлитого по бокалам, и вина в бутылке может быть разное количество. У каждой химической системы есть свое состояние золотой середины, когда прямая и обратная реакции происходят с одинаковой скоростью. Это применимо не только к сложным процессам, но и к простейшим системам вроде слабых кислот, отдающих и принимающих ионы водорода (Н⁺), и даже к воде, распадающейся на ионы Н⁺ и ОН^- . В воде равновесие расположено ближе к Н₂0, а не к отдельным ионам, и потому, что бы ни происходило, равновесие будет стремиться сохранить большинство частиц в системе в виде молекул Н₂0.

Ракетное топливо

Где еще встречается химическое равновесие? Высадка на Луну в 1969 году — хороший пример. Разработанная НАСА система, позволившая Нилу Армстронгу, Баззу Олдрину и Майклу Коллинзу вернуться домой, — химическая. Чтобы возник толчок, который закинет их обратно в космос, нужны были топливо и окислитель — то, что заставляет топливо гореть активнее при добавлении к горючему кислорода. Окислитель, примененный в полете «Аполлона-11», — тетраоксид диазота (N₂O₄), его молекулы расщепляются пополам и образуют молекулы диоксида азота (NO₂). Однако N0₂ можно легко превратить обратно в N₂O₄. Химики записывают это так:

Нил Армстронг

Базз Олдрин

Майкл Коллинз

Аполлон-11

N₂O₄2NO₂

Если поместить тетраоксид диазота в стеклянную банку (не советую: он едкий, и, если обольетесь, слезет кожа), можно увидеть это равновесие в действии. Пока содержимое хранится в холоде, буроватый тетраоксид диазота плещется себе на дне банки, а молекулы диоксида азота витают над ним облаком. Однако, если температура и другие условия меняются, смещается и равновесие. В случае с тетраоксидом диазота легкое нагревание сдвигает равновесие вправо, и все больше окислителя превращается в газ. Охлаждение превращает газ обратно в жидкость — N₂O₄.

«Во всем существует середина, определяемая равновесием» Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), русский химик, физик, метролог, экономист, технолог, геолог, метеоролог, педагог, приборостроитель

Природное равновесие

Равновесия в природе встречаются сплошь и рядом. Благодаря им химический состав нашей крови остается неизменным, с показателем pH около 7, и кровь поэтому никогда не делается слишком кислой. Связаны с этим же равновесием и обратимые реакции, благодаря которым углекислый газ доставляется в легкие, чтобы вы его выдохнули наружу.

Если вам доводилось смотреть на сталактиты и сталагмиты в карстовых пещерах, вы, вероятно, задумывались, как они образуются. Великий сталактит, свисающий со сводов пещеры Дулин на западном берегу Ирландии, — один из крупнейших в мире, в нем семь метров в длину. Он прирастал более тысячи лет. Это природное чудо на самом деле лишь пример химического равновесия:

СаС0₃ + Н₂0 + С0₂Са²⁺+

СаС0₃ — химическая формула карбоната кальция, из которого состоят известняки. Дождевая вода, в которой растворен углекислый газ, производит слабую кислоту — угольную (Н₂С0₃); она вступает в реакцию с карбонатом кальция в известняке — растворяет его, и получаются ионы кальция и гидрокарбоната. Дождь, проникая через поры и щели в породе, растворяет известняк и тащит раствор с ионами в нем за собой. Так постепенно возникают громадные карстовые пещеры. Сталактиты, подобные тем, из пещеры Дулина, образуются там, где водный раствор с ионами кальция и гидрокарбоната долго капает в одном и том же месте. Дождевая вода капает, и в ней тем временем происходит обратная реакция: ионы превращаются обратно в карбонат кальция, воду и диоксид углерода, в результате образуется известняк. Постепенно прирастая, возникает известняковое изваяние капающей воды — поразительное зрелище.

Принцип Ле Шателье

В 1884 году Анри Луи Ле Шателье сформулировал главный принцип химического равновесия: «Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздействовать извне, изменяя какое-либо из условий равновесия, то в системе усиливаются процессы, направленные на компенсацию внешнего воздействия». Иными словами, когда хоть какой-нибудь фактор, влияющий на равновесие, меняется, химическая система отыскивает новую точку равновесия, чтобы это изменение минимизировать.

Анри Луи Ле Шателье