3, который при хранении впитывает влагу воздуха, – зато этот недостаток отсутствует у KNO3. Рассмотренная выше реакция позволила решить проблему. И это согласуется с известной поговоркой «Держи порох сухим!».
Наиболее привлекательны реакции, в которых равновесие сдвигается само, без всякого внешнего воздействия, – например, когда продукт реакции выделяется в виде газа (фактически это необратимая реакция). Взаимодействие карбоната натрия (соды) и кислоты сопровождается удалением газообразного СО2:
Na2СО3 + 2HCl → 2NaCl+ H2O + CO2↑
Итак, возможны случаи, когда для того, чтобы сдвинуть равновесие, не требуется прикладывать никаких специальных усилий, но такое происходит далеко не всегда. Рассмотрим синтез аммиака из азота и водорода – один из самых важных процессов промышленной химии:
Из уравнения реакции следует, что из четырех молекул получаются две. Следовательно, из одного литра азота и трех литров водорода образуется два литра аммиака, то есть объем уменьшается. Напомним, что стехиометрические коэффициенты в уравнении реакции указывают соотношение объемов газов (об этом также рассказано в разделе «Фундаментальный закон, открытый с помощью рассуждений»). Исходные газы реагируют крайне неохотно и только в присутствии катализатора, поэтому, чтобы сдвинуть реакцию в нужную сторону, следует повысить давление. Система отреагирует соответствующим образом, стараясь «убежать» от воздействия, – она сдвинется так, что это приведет к снижению давления, то есть к уменьшению объема системы. Поэтому промышленный процесс синтеза аммиака проводят при 400 атм.
Рассмотренный принцип Ле Шателье имеет общий характер и применим к широкому кругу реакций. Его предложил в 1884 г. французский физикохимик Анри Луи Ле Шателье (1850–1936). В том же самом 1884 г. такой же принцип подвижного равновесия опубликовал голландский химик Я. Х. Вант-Гофф, ставший позже, в 1901 г., первым в истории Нобелевских премий лауреатом по химии благодаря открытию законов химической динамики и осмотического давления в растворах. Интересно, что именно он предложил обозначать обратимость реакции двумя стрелками, направленными в противоположные стороны ⇄. Этим символом мы пользуемся и в наши дни. То же самое, независимо от Ле Шателье и Вант-Гоффа, в 1887 г. сформулировал немецкий физик Карл Фердинанд Браун, получивший в 1909 г. Нобелевскую премию по физике совместно с Г. Маркони за создание беспроводного телеграфа.
Как видим, нобелевские лауреаты были весьма проницательны и сумели заметить и другие важные закономерности – помимо тех, за которые они получили премию.
Со временем обсуждаемый нами принцип получил математическое описание, но и в своей первоначальной формулировке он достаточно нагляден, понятен каждому химику и входит в школьный курс химии. Принцип, получивший имя Ле Шателье, вероятно, не мог не появиться – ведь трое наблюдательных ученых в течение трех лет независимо друг от друга высказывали одну и ту же идею.
Рискуя здоровьем и жизнью
Есть тяга к поиску чудес,
Мы ей обычно не перечим.
Толкает нас незримый бес
Большим открытиям навстречу.
Химия как наука сформировалась в середине XVIII в. – это было время открытий химических элементов и новых соединений. Но наука определяется не только этим, ведь открытые вещества необходимо было описать детально. Согласно правилам тех времен, при описании новых соединений указывался их цвет, вкус и запах.
Исключительно велики заслуги шведского химика Карла Шееле. По словам французского химика Ж. Дюма, он "не мог прикоснуться к какому-либо телу, чтобы не сделать открытия"[17]. Среди массы выделенных Шееле новых соединений и элементов – мышьяковистая кислота (H3AsO4), мышьяковистый водород (арсин AsH3), синильная кислота (водный раствор циановодорода HCN) и плавиковая кислота (водный раствор фтороводорода HF). Эти четыре соединения исключительно ядовиты, можно предположить, что Шееле в соответствии с требованиями своего времени пытался определить их вкус и запах. Точно не установлено, от чего именно погиб Шееле в возрасте 44 лет, но полагают, что от действия синильной кислоты.
Именно Шееле предположил, что в плавиковой кислоте содержится новый химический элемент. Предположение оказалось правильным – это был элемент фтор, но выделить его было чрезвычайно трудно. Дело в том, что фтороводород HF, из которого пытались получить фтор, очень ядовит, к тому же он разрушает многие материалы, в том числе и стекло. Сам фтор тоже ядовит и к тому же исключительно реакционноспособен – при соприкосновении с ним многие элементы воспламеняются, он может реагировать даже с благородными металлами и инертными газами. История получения фтора связана с драматическими и трагическими событиями.
При первых попытках получить фтор использовали химические реакции. Наиболее простой способ – термическое разложение различных фторидов – например, ртути (HgF2), кобальта (CoF3), свинца (PbF4). Последнее из упомянутых соединений легче всего выделяет элементарный фтор при нагревании: PbF4 = PbF4 + F2. Во время таких опытов пострадали два члена Ирландской академии – братья Георг и Томас Нокс. Георг стал инвалидом, а Томас Нокс скончался. Такая же участь постигла французского химика Дж. Никлеса и бельгийского химика П. Лайета.
Французский естествоиспытатель А. М. Ампер (1775–1836) предположил, что фтор можно получить, разлагая содержащие фтор соединения, электрическим током, то есть электролизом. Именно так незадолго до этого получил хлор английский химик Гемфри Дэви (1778–1829). Естественно, Дэви принял совет Ампера и стал проводить электролиз плавиковой кислоты (напомним, что это водный раствор HF). Результат был неудачен, поскольку плавиковая кислота разрушала прибор, в котором проводился электролиз. Кроме того, Дэви сильно отравился, надышавшись парами этой кислоты. Первооткрыватели сталкивались со многим опасностями – и это были не только токсичные вещества. В результате экспериментов в лабораториях появлялись и другие соединения, угрожающие жизни, самовозгорающиеся и взрывчатые.
Дэви был энергичным и азартным исследователем. Одно из самых ярких его достижений – получение двух новых элементов: металлических калия и натрия электролизом расплавленных солей. В одном из экспериментов при попадании металлического калия в воду произошел сильный взрыв, в результате у Дэви серьезно пострадал правый глаз.
Был и еще один взрыв. Дэви заинтересовался работами французского химика П. Л. Дюлонга, который синтезировал трихлорид азота NCl3. Это соединение взрывается от легкого сотрясения, и в результате Дюлонг лишился глаза и трех пальцев. Темпераментный Дэви, узнав о новом неустойчивом соединении, решил его получить – при этом он тоже пострадал от взрыва и оправился от полученных травм лишь через несколько месяцев. Все эти беды не могли остановить талантливого химика: в последующие годы он сумел получить электрохимическим способом элементы барий, кальций, стронций и литий.
Что интересно, за открытие новых элементов калия и натрия французское правительство во главе с Наполеоном наградило Дэви премией в 3000 франков, а также именной медалью – несмотря на то что в те времена Англия и Франция находились в состоянии войны. Война не помешала воздать должное заслугам ученого.
Вернемся к плавиковой кислоте, которая "не щадила" никого. При работе с ней двое французских химиков – Ж. Гей-Люссак (автор газовых законов, изучаемых в школьном курсе физики) и Л. Тенар – получили сильные ожоги. Эти двое молодых энтузиастов внимательно следили за новыми открытиями в химии. Сообщение о том, что английский химик Г. Дэви сумел получить щелочные металлы калий и натрий, послужило вдохновением для Гей-Люссака и Тенара, но они решили получать эти металлы не электролизом, как Дэви, а реакцией железных опилок с расплавленным гидроксидом калия (КОН) при высокой температуре. Поскольку образующийся металлический калий мог загореться на воздухе, реакцию проводили в закрытой емкости. Несколько раз происходили взрывы, в результате одного из них оба ученых едва не погибли, а Гей-Люссак провел в больнице около сорока дней.
Химики рисковали здоровьем буквально каждую минуту. Проведя ряд опытов с циановодородной кислотой (HCN), Гей-Люссак решил опубликовать полученные сведения. Кроме того, следовало также указать и вкус кислоты. К счастью, он был осторожен и попросил своего ассистента Т. Ж. Пелуза (ставшего впоследствии крупным химиком) принести морскую свинку. От одной капли на язык свинка погибла. Это не остановило исследователей, и, соблюдая осторожность, они продолжили изучение кислоты. При реакции с хлором было получено новое – тоже весьма токсичное – соединение хлорциан Cl-C≡N. Эти работы впоследствии легли в основу теории радикалов, которая некоторое время была общепринятой в органической химии.
Попытки выделить фтор при электролизе продолжались, при этом пострадали французский химик Эдмон Фреми и английский электрохимик Георг Гор. И все же в 1886 г. фтор удалось получить Анри Муассану, причем электрохимическим способом (давний совет Ампера оказался правильным). Когда Муассан докладывал Парижской академии наук о своем открытии, один его глаз был закрыт черной повязкой – "мстительный" фтор не мог не оставить о себе память.
Итак, насколько опасны сегодня упомянутые вещества фтор, плавиковая кислота, металлы калий и натрий? Газообразный фтор действительно агрессивен и ядовит, но опасности не представляет, поскольку он практически недоступен. Полученный в промышленных масштабах фтор используют в качестве фторирующего реагента при производстве различных фторсодержащих веществ. Зато если фтор входит в состав соединений, то он становится совершенно "безобидным" и часто весьма полезным. Метан, в котором атомы водорода частично или полностью замещены фтором (СF