Глазами Монжа-Бертолле

Опустите в раствор медного купороса стальное перо. Через несколько минут оно покроется золотистым налетом меди. Зато вспять процесс Fe + CuSO₄→FeSO₄ + Cu сам собой не идет. Если в раствор ляписа добавить поваренной соли, реакция закончится в тот момент, когда практически все азотнокислое серебро превратится в хлористое: AgNO₃ + NaCl→AgCl + NaNO₃. Выпадет белый творожистый осадок. А если поджечь гремучую смесь, то взрыв приводит к образованию воды: 2H₂ + O₂→2H₂O. Два газа порождают жидкость. И во многих других случаях продукт удаляется из сферы реакции. Волей-неволей казалось, будто процесс завершается лишь с окончательным превращением исходных реагентов в конечные продукты. На самом деле это не так.

Бертолле был все-таки прав, утверждая, что в любом случае устанавливается равновесие между прямой и обратной реакциями.

Правда, равновесие может быть сильно сдвинуто. Настолько сильно, что практически все исходные вещества превратятся в конечные продукты. Но все зависит от условий реакции.

Если хорошенько нагреть водяные пары (до 2000 градусов), начнется расщепление воды: 2H₂O→2H₂ + O₂. Но одновременно будет протекать и реакция соединения: 2H₂ + O₂→2H₂O. Процесс обратим. То же самое справедливо и для взаимодействия N₂ + 3H₂↔2NH₃. Когда скорости прямой и обратной реакций одинаковы, устанавливается равновесие.

Математическое выражение для скорости реакции было найдено в 1864–1867 годах норвежскими учеными К. Гульдбергом и П. Вааге. Оказывается, скорость пропорциональна произведению степеней концентраций. Слово «степень» здесь имеет прямой алгебраический смысл. Возьмем, к примеру, реакцию 2H₂ + O₂→2H₂O. Ее скорость V₁ = k₁[H₂]²[O₂]; k₁ — некая постоянная величина. Она зависит лишь от способов выражения концентрации наших реагентов H₂ и O₂. Величина H₂ взята в квадрате потому, что стехиометрический коэффициент в уравнении реакции 2H₂ + O₂→2H₂O равен 2. Если он равен 3, то соответственно концентрацию следует брать в кубе. (Например, для взаимодействия N₂ + 3H₂→2NH₃.) И так далее. Скорость обратной реакций 2H₂O→2H₂ + O₂, очевидно, выразится следующим равенством: V₂ = k₂[H₂O]².

Теперь предположим, что у нас установилось равновесие: N₂ + 3H₂↔2NH₃. Это значит V₁ = V₂. То есть k₁[N₂][H₂]³ = k₂[NH₃]². Проделаем с этим равенством несложную математическую процедуру: [N₂][H₃]³/[NH₃]² = k₂/k₁.

Отношение постоянных величин k₂/k₁ неизменно. Заменим его ради простоты одной буквой K. Это так называемая константа равновесия

K = k₂/k₁

Читателю предлагается набраться терпения и с карандашом в руках проштудировать этот кусок. Все понятия и формулы нам пригодятся при чтении последней главы.

Полученное соотношение выражает закон действующих масс. Так одна из идей Бертолле обрела четкую математическую форму.

Из закона действующих масс вытекают любопытные следствия.

Во-первых, состояние равновесия не зависит от того, какие реагенты мы берем в качестве исходных. Скажем, в реакции N₂ + 3H₂↔2NH₃ мы по традиции считали исходными веществами азот и водород. Конечным продуктом — аммиак. Но можно взять смесь аммиака с водородом. Или с азотом. Наконец смесь всех трех участников взаимодействия. И в каких угодно пропорциях. Все равно, как только наступит равновесие, соотношение концентраций изменится так, что равенство K = k₂/k₁ будет неукоснительно соблюдено.

Второй вывод из закона: если в равновесную систему добавить какое-то количество одного из компонентов, равновесие немедленно сместится. Нельзя увеличить или уменьшить ни одной из концентраций, чтобы не вызвать изменения остальных.

Положим, мы добавили водорода. Это немедленно подстегивает скорость прямой реакции. Равновесие утрачено. Правда, ненадолго. Прямая реакция увеличивает выход аммиака. Но рано или поздно снова наступает равновесие. И опять соотношение «действующих масс» будет удовлетворять формуле K = k₂/k₁. Тому же значению K, что и в исходной стадии — до введения водорода.

Вся эта динамика химических равновесий ускользала от внимания ученых, загипнотизированных законом Пруста — Дальтона и гармонировавшей с ним идеей однобокой направленности химических процессов. Физико-химический анализ, напротив, во главу угла поставил учение о химических и фазовых равновесиях, впитав в себя физические и математические идеи.

Каким бы непокорным ни был Кара-Богаз-Гол, а правилу фаз Гиббса и закону Гульдберга — Вааге он, безусловно, подчиняется.

Так подчас укрощение строптивых «чудес природы» начинается с познания их математических закономерностей.