Занимательная химия для детей и взрослых

Принцип Ле Шателье, с помощью которого можно быстро предсказать, в какую сторону сместится равновесие в той или иной реакции, обычно формулируют следующим образом: «Если химическая система, находящаяся в состоянии равновесия, подвергается воздействию какого-либо фактора, то равновесие в системе смещается так, чтобы действие этого фактора ослаблялось». Например, в случае рассматривавшейся в предыдущей главе реакции димеризации диоксида азота  (она идет с выделением тепла) повышение температуры сдвигает равновесие влево – в сторону диссоциации димера, что сопровождается поглощением тепловой энергии и таким образом «ослабляет» действие внешнего нагревателя. При охлаждении же равновесие сдвигается вправо, когда процесс идет с выделением тепла. Аналогично при повышении давления равновесие сдвигается вправо, в сторону меньшего числа молекул: система как бы сопротивляется повышению давления. Снижение внешнего давления сдвигает равновесие в противоположную сторону.

Однако этот же принцип прекрасно работает и в том случае, если из приведенного определения выкинуть слово «химическая». Чтобы подтвердить справедливость этого утверждения, рассмотрим несколько примеров.

Пример 1. В нормально действующей экономике общая сумма находящихся в обращении денег находится в равновесии с теми товарами, которые можно на эти деньги купить. Что будет, если каким-либо фактором выступит желание правительства напечатать денег побольше? В строгом соответствии с принципом Ле Шателье, равновесие будет смещаться таким образом, чтобы ослабить удовольствие граждан от обладания большим количеством денег. А именно, цены на товары и услуги вырастут, и таким путем будет достигнуто новое равновесие.

Пример 2. В некотором городе из-за чрезмерного числа автомобилистов пробки на улицах достигли такого масштаба, что люди почти перестали покупать новые автомобили, а многие владельцы машин начали все чаще пользоваться метро или пересели на велосипеды. Чтобы улучшить ситуацию, руководство города, не считаясь с огромными затратами, решило поступить кардинально: в течение нескольких лет были построены в больших количествах подземные переходы (чтобы сократить число светофоров), транспортные развязки, новые кольцевые трассы. Результат и в этом случае легко предсказать с помощью того же принципа. Жители города, убедившись в исчезновении пробок, снова стали покупать автомобили, их число значительно возросло, и через короткое время ситуация вновь стала равновесной: те же пробки и заторы, но только при большей площади проезжей части и большем числе автомобилей.

Пример 3. Хорошо известно, что механическая энергия легко переходит в тепловую. Чтобы убедиться в этом, достаточно энергично потереть друг о друга две палочки (когда-то трением люди даже добывали огонь) или просверлить железку. Обратный же переход тепловой энергии в механическую наблюдается, например, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания: горячие газы толкают поршень. А теперь, руководствуясь принципом Ле Шателье, попробуйте ответить на такой вопрос: что будет с резиновой лентой, если снизу к ней подвесить тяжелый груз, а потом нагреть ее? Такой опыт был проделан в 1805 г. английским ученым Джоном Гухом. При этом он обнаружил поразительную вещь: растянутый жгут из полосок натурального каучука становился короче при нагревании и длиннее при охлаждении! Через полвека английский физик Джеймс Джоуль, проведя тщательные измерения, подтвердил наблюдения своего предшественника. В научной литературе это явление называется эффектом Гуха – Джоуля.

Опыт Гуха легко воспроизвести. Если подвесить резиновую ленту (чем длиннее и эластичнее – тем лучше), а потом привязать к ней снизу груз, лента, естественно, растянется. Если теперь обдувать ее горячим воздухом (например, из фена) или поливать горячей водой, лента сократится, причем довольно сильно. И наоборот, при охлаждении лента будет растягиваться, а гиря – опускаться. Если попробовать проделать то же с нерастянутой лентой, будет наблюдаться обычное для твердых тел почти незаметное увеличение размеров при нагреве и такое же слабое сжатие при охлаждении.

Эффект Гуха—Джоуля можно объяснить на основе принципа Ле Шателье. В данном случае внешнее воздействие – это нагревание или охлаждение. Если быстро и сильно растянуть эластичный резиновый бинт, он слегка нагреется – это можно почувствовать, прикоснувшись к нему губами (конечно, бинт должен быть чистым). Если через некоторое время, когда бинт примет комнатную температуру, резко снять нагрузку, то сократившаяся резина охладится. Поэтому в соответствии с принципом Ле Шателье при нагревании растянутой резиновой ленты в ней должны идти процессы, которые «стремятся» эту ленту охладить. А охлаждение, как показывает опыт, как раз и происходит при сокращении ленты. И наоборот, при охлаждении растянутой резины в ней идут процессы, приводящие к выделению теплоты, поэтому лента растягивается. Конечно, это явление можно объяснить не только с общих термодинамических позиций, но и на молекулярном уровне, но это объяснение более сложное.