Хімічна термодинаміка: дозволено чи заборонено

Що таке горіння? Це саме звичайне окислення, з'єднання палива з киснем. Але ж у контакті з киснем знаходяться майже всі речовини, а реакція не починається (і слава богу). Значить, мало просто реагентів, потрібно врахувати й інші обставини. Саме цим займається хімічна термодинаміка.

Ця наука дуже проста, і в той же час вона виявляється однією з найбільш універсальних, її можна застосувати до безлічі явищ і процесів, які відбуваються ... або не відбуваються. Тут вже вирішувати непохитним законам цієї науки. Основні поняття хімічної термодинаміки дуже прості. І їх не представляється можливості спростувати, на думку Ейнштейна. Цей надзвичайно обдарований вчений вважав, що це найнадійніша з теорій у Всесвіті.

Як ми знаємо з досвіду, багато з хімічних процесів мимовільно йти не можуть. Перші дослідники помітили, що багато реакції, які починаються самі по собі, відбуваються з виділенням теплоти. Однак однозначно пов'язувати екзотермічність реакції і її мимовільність, як виявилося, було не можна. Тому що є реакції, які починаються при високих температурах і йдуть з поглинанням тепла, при цьому реакції теж починаються мимовільно.

Як зрозуміти, що відбувається? Невже природа прагне до зменшення енергії? Все складніше, хімічна термодинаміка каже, що насправді навколишнє середовище любить НЕ мінімум енергії, а максимальний безлад! Ну, деякі люди в цьому з природою солідарні.

А чи можна безлад описати строго? Виявляється, можна, для цього використовується поняття «ентропія». Її хіміки та фізики поетично називають «стрілою часу». Чому? Оскільки процеси зі збільшенням ентропії самі йдуть лише в одну сторону. І це додає їм незворотність. Це основи хімічної термодинаміки. Можна побачити і відмінність від механічних процесів. Наприклад, руху куль в більярді можна прокрутити на відео назад - і це буде виглядати правдоподібно. А от якщо ви побачите, як іде іржа з цвяха або відновлюється бенгальський вогонь, ви відразу зрозумієте, що це невірно, так не буває. Звичайно, цей приклад не претендує на абсолютність, але збільшення ентропії дійсно стає своєрідною «стрілою часу».

Хімічна термодинаміка не розроблені приладу, який би визначав рівень ентропії, це до певної міри умоглядне поняття. Але розрахувати її можливо, для цього буде потрібно знати зміна тепла під час реакції і температуру, при якій ця зміна відбувається. Чому враховується температура? Справа в тому, що швидкість руху частинок дуже тісно пов'язана з температурою, а чим більше ці швидкості, тим більше хаосу, читай, ентропії.

Сама хаотична форма речовини - газ. Тому реакція, в якій кількість газу збільшиться, протікає зі збільшенням ентропії. Наприклад, розпад карбонату кальцію. А ось отримати воду з кисню з воднем виявляється дуже важкою справою, оскільки ентропія зменшується.

Якщо обчислити за формулою енергію Гіббса, то можна припустити, чи піде дана реакція при даній температурі. Однак точно дізнатися не вийде, можливо, для того, щоб вона все-таки почалася, буде потрібно каталізатор або особлива температура. Розрахунки не є марними, вони вказують на «дозвіл» тієї чи іншої реакції. А ось якщо хімічна термодинаміка свідчить, що реакція «заборонена», то немає сенсу навіть мучитися пошуками каталізатора - все одно нічого не вийде.

Описувана наука тісно пов'язана із загальною термодинамікою, яка є галуззю фізики і пояснює безліч процесів різного роду в навколишньому світі. Цікавим людям відкриваються причини багатьох явищ, які для інших назавжди залишаться таємницею. Кажуть, термодинаміка навіть доводить існування бога ...