Химическая термодинамика: разрешено или запрещено

Видео: Химические отходы. Химия – просто.

Что такое горение? Это самое обычное окисление, соединение топлива с кислородом. Но ведь в контакте с кислородом находятся почти все вещества, а реакция не начинается (и слава богу). Значит, мало просто реагентов, нужно учесть и другие обстоятельства. Именно этим занимается химическая термодинамика.

Эта наука очень проста, и в то же время она оказывается одной из самых универсальных, ее можно применить к бесчисленному множеству явлений и процессов, которые происходят…или не происходят. Тут уж решать непреклонным законам этой науки. Основные понятия химической термодинамики весьма просты. И их не представляется возможности опровергнуть, по мнению Эйнштейна. Этот необычайно одаренный ученый считал, что это самая надежная из теорий во Вселенной.

Как мы знаем из опыта, многие из химических процессов самопроизвольно идти не могут. Первые исследователи заметили, что многие реакции, которые начинаются сами по себе, происходят с выделением теплоты. Однако однозначно связывать экзотермичность реакции и ее самопроизвольность, как оказалось, было нельзя. Потому что есть реакции, которые начинаются при высоких температурах и идут с поглощением тепла, при этом реакции тоже начинаются самопроизвольно.

Видео: Топ 5 химических фактов. Химия – просто

Как понять происходящее? Неужели природа стремится к уменьшению энергии? Все сложнее, химическая термодинамика говорит, что на самом деле окружающая нас среда любит не минимум энергии, а максимальный беспорядок! Ну, некоторые люди в этом с природой солидарны.

А можно ли беспорядок описать строго? Оказывается, можно, для этого используется понятие «энтропия». Ее химики и физики поэтично называют «стрелой времени». Почему? Поскольку процессы с увеличением энтропии самопроизвольно идут лишь в одну сторону. И это придает им необратимость. Это основы химической термодинамики. Можно увидеть и отличие от механических процессов. Например, движения шаров в бильярде можно прокрутить на видео обратно – и это будет выглядеть правдоподобно. А вот если вы увидите, как уходит ржавчина с гвоздя или восстанавливается бенгальский огонь, вы сразу поймете, что это неверно, так не бывает. Конечно, этот пример не претендует на абсолютность, но увеличение энтропии действительно становится своеобразной «стрелой времени».

Видео: Химический сад. Химия – просто.

Химическая термодинамика не разработала прибора, который бы определял уровень энтропии, это до определенной степени умозрительное понятие. Но рассчитать ее возможно, для этого потребуется знать изменение тепла во время реакции и температуру, при которой это изменение происходит. Почему учитывается температура? Дело в том, что скорость движения частиц очень тесно связана с температурой, а чем больше эти скорости, тем больше хаоса, читай, энтропии.

Самая хаотичная форма вещества – газ. Поэтому реакция, в которой количество газа увеличится, протекает с увеличением энтропии. Например, распад карбоната кальция. А вот получить воду из кислорода с водородом оказывается очень трудным делом, поскольку энтропия уменьшается.

Если вычислить по формуле энергию Гиббса, то можно предположить, пойдет ли данная реакция при данной температуре. Однако точно узнать не получится, возможно, для того, чтобы она все-таки началась, потребуется катализатор или особая температура. Расчеты не являются бесполезными, они указывают на «разрешенность» той или иной реакции. А вот если химическая термодинамика свидетельствует, что реакция «запрещена», то нет смысла даже мучиться поисками катализатора – все равно ничего не выйдет.

Описываемая наука тесно связана с общей термодинамикой, которая является отраслью физики и объясняет множество процессов разного рода в окружающем нас мире. Любопытным людям открываются причины многих явлений, которые для прочих навсегда останутся тайной. Говорят, термодинамика даже доказывает существование бога…