Заключительная заметка из серии. Предыдущие три:
1) Типовая задача с использованием метода полуреакций
2) Пример нестандартного использования метода полуреакций
3) Про недомолвки первого типа
Про недомолвки второго типа
Второй аспект, связанный со словом «недомолвка», более тонкий. В термине «химическое уравнение» все обычно концентрируют внимание на прилагательном, хотя не менее важен акцент и на существительном. Ведь что такое химическое уравнение по сути? Это формализованное, то есть составленное по определённым правилам символическое описание некоторого процесса превращения вещества (веществ). Можно сказать иначе – это модель, предназначенная для облегчения познания реального объекта. И в самом названии модели, как инструмента познания, уже заложены методы работы с ним: с химическими уравнениями допустимо выполнение ряда операций, идентичных действиям с уравнениями математическими. Операции эти были наглядно продемонстрированы на разобранных выше примерах – там и складывание двух уравнений, и умножение самого уравнения на постоянное число, а также добавление к обеим частям и изъятие от обеих частей одинаковых «слагаемых».
В этом плане метод полуреакций, по моему скромному мнению, оказывается довольно неплох в прививании навыка позволять себе допустимые вольности в обращении с химическими уравнениями. Любопытно также, что «вольности» эти наиболее употребительны в области физической химии.
Многие прекрасно знают, что большинство реакций протекают с выделением или поглощением теплоты. В школьной программе эта тема тоже затрагивается, но обратите внимание на примерную форму записи, использующихся при этом уравнений:
A + B = C + D + Q
Как видно, в них указывается дополнительное слагаемое, учитывающее тепловой эффект реакции Q. И вот вроде бы мелочь – всего одна добавленная в равенство буква латинского алфавита, но на самом деле символизирует она огромный пласт серьёзных теоретических сведений, а также вытекающих из них расчётных методов, по сути основанных на обращении с химическими уравнениями как с математическими. А позволяет такой подход добиться многого. Например, можно высчитать количество теплоты, выделяющееся в ходе реакции, не проводя эту реакцию и не выполняя самих замеров, при условии если известны (как правило, из специального справочника) так называемые энтальпии образования для каждого реагента и продукта [1, с. 71]. И да, в физической химии вместо школьного понятия «количество теплоты» Q употребляется более строгое – «изменение энтальпии» ΔH. Поскольку настоящая заметка носит преимущественно научно-популярный характер, не стану загружать читателя тонкостями, связанными с этой термодинамической функцией состояния, а лучше упомяну такую вещь как цикл Борна-Габера – ещё один метод, где также оперируют «алгеброй» химических процессов, а используется он для вычисления энергии кристаллической решётки (простыми словами – прочности связи между частицами в кристалле) [1, с. 78], что имеет важное применение на практике.
Сложение уравнений оказывается полезным приёмом для понимания химической кинетики – раздела физической химии, занимающейся изучением механизмов протекания реакций. В область интересов этой научной дисциплины входит явление катализа – ускорения взаимодействия в присутствии вещества, которое при этом не расходуется, то есть вроде бы в самой реакции участия и не принимает. Однако взгляните на следующую серию уравнений:
PdCl₂+ H₂O+ C₂H₄ = Pd + CH₃CHO + 2HCl
2CuCl₂ + Pd = 2CuCl + PdCl₂
2CuCl + 2HCl + ¹/₂ O₂ = 2CuCl₂ + H₂O
Если вы сложите их вместе, то получите уравнение окисления этилена кислородом с образованием ацетальдегида:
C₂H₄ + ¹/₂ O₂ = CH₃CHO
Эта реакция применяется для промышленного получения уксусного альдегида и носит название Вакер-процесс [2]. А используется в нём катализатор из смеси хлоридов меди и палладия и легко видеть, как эта реакция протекает постадийно: вещества катализатора принимают самое действенное участие в образовании целевого продукта, но при этом в каждом цикле превращений регенерируются, оказываясь в числе продуктов реакции.
«Играясь» с уравнениями следует помнить, что они – только модель, призванная описать реальность (химические превращения) с некоторой степенью точности – иногда, кстати, весьма высокой. Другим назначением модели является помощь в наведении на мысль для последующей формулировки гипотезы, которая потребует дальнейшей проверки. В силу сказанного отождествление модели (уравнения реакции или комбинации уравнений) и самого объекта изучения (реакции) в общем случае может приводить и к ошибочным умозаключениям.
Проиллюстрирую последнее утверждение завершающим данную публикацию примером катодного процесса при электролизе водного раствора гидроксида натрия. Как известно, NaOH в воде диссоциирует:
NaOH ⇄ Na⁺ + OH⁻
В школе при рассмотрении соответствующей темы рассказывают, что когда пропускается ток через такой раствор, катионы натрия хоть и движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), но там выделяется водород – это восстанавливается вода. В старших классах я задался вопросом: а так ли это происходит на самом деле, ведь сам процесс можно описать иначе, разбив на два последовательных этапа. На первом катион натрия восстанавливается на катоде до нейтрального атома металла:
Na⁺ + e⁻ = Na⁰ ,
а далее металлический натрий реагирует с водой с образованием водорода и гидроксида натрия, представленного в растворе соответствующими ионами:
Na⁰ + H₂O = ¹/₂ H₂ + Na⁺+ OH⁻
Если два приведённых процесса сложить, то как раз и получится уравнение, описывающее восстановление воды:
H₂O + e⁻ = ¹/₂ H₂ + OH⁻
Идея эта, возникнув, как-то забылась, иногда вспоминаясь и забываясь снова – в 16-17 лет ведь не только об одном электролизе думаешь. Спустя примерно четыре года и будучи уже студентом третьего курсе химфака, я обнаружил, что учебником физической химии вердикт по обсуждаемому здесь вопросу вынесен уже давно: водород выделяется при непосредственном восстановлении молекул воды, принимающих электроны с катода, а катион щелочного металла остаётся не у дел [3, с 582]. Там же давалось объяснение почему это так, но не менее интересной оказалась приведённая информация о том, что предположение о двухстадийности выделения водорода (с промежуточным участием нейтральных атомов щелочного металла) когда-то предполагалось и специалистами, занимающимися исследованиями в данной области, но с накоплением объёма знаний было отвергнуто.
Литература
- Карякин Н.В. Основы химической термодинамики: Учеб. пособие для вузов – Н. Новгород: Издательство ННГУ им. Н.И. Лобачевского; М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 464 с.
- Темкин О.Н. Каталитическая химия. // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 1. С. 57-65.
- Курс физической химии, том 2 / Под ред. Я.И. Герасимова. М.: Химия. 1973. – 630 с.
