Мир вокруг нас постоянно меняется: тает, замерзает, капает, горит, растворяется, растет, цветет и плодоносит... Приглядимся к этим привычным, но все же таинственным метаморфозам.
Тает снег, конденсируется пар, замерзает вода — вещество по своим химическим свойствам остается неизменным, меняется лишь форма. Так, кусочек сахара можно растереть в сахарную пудру, но при этом он останется сахаром.
Ржавеет железо, горят дрова, горит газ, молоко превращается в творог, на фотопластинке появляется изображение — это химические реакции. В результате их образуются новые вещества: окись железа, зола, углекислый газ, творог; здесь меняется сама основа вещества, его химическая формула, его состав.
Скажите, а можно превратить дым в дрова, творог в молоко, ржавчину в железо? Наш опыт подсказывает, что нельзя. Многие реакции в естественных условиях оказываются невозможными.
А что такое реакции, и почему одни из них идут, а другие нет?
Сущность химической реакции состоит в разрыве одних связей и образовании других. Связь осуществляется валентными электронами и образуется только при достаточном взаимном сближении потенциальных участников реакции. В результате появление нового вещества происходит только при столкновении молекул или атомов исходных реагентов. Они все разные с энергетической точки зрения, даже если имеют одинаковое химическое строение, у них разная направленность и скорость движения, внутреннее состояние, угол столкновения, поэтому далеко не всякая встреча приводит к образованию нового вещества.
Изначально у всех элементов есть «симпатии» и «антипатии» с точки зрения возможных взаимоотношений. Реакция возможна только между «симпатизирующими» в данных условиях атомами. Можно сказать, что у них есть общая цель — новое вещество.
С точки зрения химической термодинамики принципиальная возможность самопроизвольного протекания реакции определяется закономерностями превращения энергии, и в частности соотношением между энтальпией (от греч. «нагреваю») и энтропией (от греч. «поворот»). Но даже принципиальная возможность реакции не означает, что она будет происходить на достаточно заметном уровне. Дело в том, что для вступления в реакцию молекулам или атомам часто необходима активация исходных реагентов. Можно представить себе молекулы или атомы в виде альпинистов, собравшихся в «великий химический поход». Конечная их цель — химическая реакция, но для этого им необходимо преодолеть энергетическую «гору». В зависимости от того, какова эта гора, количество молекул, способных преодолеть ее, будет больше или меньше. Например, реакция образования аммиака из азота и водорода воздуха принципиально возможна и в обычных условиях идет, но чрезвычайно медленно. Механизм же преодоления вершины предусматривает образование промежуточного соединения; оно неустойчиво и существует сотые доли секунды, но именно оно стоит на вершине этой горы. Увеличить скорость реакции возможно либо путем увеличения начальной энергии «членов альпинистской команды», например нагреванием, либо используя катализатор.
По определению, катализатор — вещество, ускоряющее химическую реакцию, но в результате реакции остающееся неизменным. Преодоление энергетической горы, выход на прямую дорогу химической реакции происходит за счет того, что образуется другое промежуточное соединение, или в энергетической горе появляется «тоннель», позволяющий преодолеть ее значительно большему количеству «альпинистов». То есть результаты реакции те же, а путь другой, и энергетический барьер пониже. В результате резко возрастает скорость химической реакции.
Поднесите спичку к кусочку сахара — сахар плавится и обугливается, но не горит. Окуните сахар в пепел и подожгите снова — сахар загорелся. Катализатор — соли щелочных металлов, содержащихся в пепле, — ускоряет реакцию окисления.
Можно сказать, что для протекания реакции необходимы исходные вещества («альпинисты»), цель (результат реакции), принципиальная возможность протекания реакции в данных условиях (пойдут ли «альпинисты» в гору) и энергия, позволяющая совершить «великий химический поход». А для того, чтобы помочь альпинистам достигнуть вершины, большинству из них необходим и катализатор.
Смешайте мелкокристаллический иод и цинковую пыль на металлической пластине. Посмотрите — смесь не подает признаков жизни, реакции нет. Но влейте в смесь несколько капель воды, и над пластиной взовьется фиолетовое облако — это в присутствии катализатора (воды) цинк бурно реагирует с иодом.
Вода является самым распространенным катализатором на Земле. Именно она за счет своего дипольного строения резко активизирует молекулы растворенных веществ. Подавляющее большинство химических превращений, происходящих на Земле, явно или скрытно идут с использованием катализатора. Процесс преобразования и «консервации» солнечной энергии в царстве растений и высвобождение ее для роста и движения животными и человеком ферментативные процессы. Фермент, сложный по составу белок, — катализатор в биологических системах. Он обнаруживает резкую специфику — ускоряет только один процесс, но на несколько порядков более эффективно по сравнению с неорганическими катализаторами и позволяет реализовать даже термодинамически невыгодные реакции. Температурное же ускорение реакции в организмах, содержащих белок, просто невозможно — белок свернется. Большинство химических реакций, протекающих в крови, пищеварительной системе, клетках животного и человека являются каталитическими реакциями. В организме человека содержится около 3000 различных ферментов. Кстати, в мире растений реакция фотосинтеза — каталитическая, а иногда используются ферменты, аналогичные ферментам мира животных, они, например, помогают разлагать белок зерна, чтобы проросток мог воспользоваться «родительским наследством», или росянкам переварить пойманную добычу.
Принцип катализа во всех царствах природы является одним из универсальных законов взаимодействия и трансформации Вещества. Без катализа нет жизни.
Во всех царствах природы правят одни и те же законы. Несмотря на то что мир представляется разделенным на множество частей, он един. Внешнее разнообразие мира — проявление его внутреннего единства.