Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

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.

М. Цивел

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.