С декабря 1997 г. самый известный жур­нал, посвящённый химическому образо­ванию, «Journal of Chemical Education», перестал публиковать статьи о способах подбора коэффициентов в реакциях. Его главный редактор Джон Мур, уни­верситетский профессор химии в горо­де Мэдисон (штат Висконсин), объяснил столь строгое решение тем, что самому ему приходилось подбирать «трудные» коэффициенты только по заданию пре­подавателей, когда он был первокурсни­ком, тогда как для его многолетней профессиональной деятельности как химика-исследователя это практически никогда не требовалось. Более того, ре­дактор уверен, что в трудных случаях подбор коэффициентов лучше пору­чить компьютеру: самая простенькая программа сделает всё, что надо, лучше химика и за доли секунды. И вот здесь уважаемый профессор ошибся!

Оказывается, компьютерные про­граммы заботятся лишь о том, чтобы со­хранялся материальный баланс по каж­дому из элементов, и совершенно равнодушны к тому, имеют ли найден­ные коэффициенты какой-либо химиче­ский смысл. В качестве типичного при­мера можно привести следующее уравнение реакции, опубликованное в упомянутом американском журнале: 88Н₂+12BrCl+6РbСrO₄+6Na[AlF₄+6KI+3MgSiO₃+2H₃PO₄+10FeSO₄+20SO₂+15Ca(CN)₂+3CF₂Cl₂=15CaF₂+6K[Al(OH)₄]+3MgCO₃+3Na₂SiO₃+2PI₃+10Fe(SCN)₃+6PbBr₂+6CrCl₃+70H₂O.

Направление многих окислительно-вос­становительных реакций зависит от кис­лотности среды. Примером может служить взаимодействие бромат-ионов  BrO^-₃ с ферроином — комплексом железа(II) с органическим соединени­ем 1,10-фенантролином (phen). В сильнокислой среде бромат-ион окисляет ферроин, и свойственная его растворам красная окраска сменяется голубой, характерной для комплекса железа(III). При подщелачивании голубого раствора железа(III) оно восстанавли­вается бромид-ионами в железо(Н), и красная окраска ферроина возвращается:

Точно предсказать продукты неис­следованной реакции во многих слу­чаях не в состоянии ни один химик. Их определяют экспериментально.

А затем уже предлагают возможный механизм реакции и объясняют, почему образуются именно эти про­дукты.

Отличие современной химии от средневековой состоит в том, что появились надёжные теории, которые позволяют с большой долей вероят­ности предсказывать продукты новых реакций и вести целенаправленный синтез веществ. Разработаны они и для процессов окисления-восстанов­ления. Сами по себе эти теории до­вольно сложные, но существует не­сколько простых рецептов, пользуясь которыми, даже начинающий химик сможет предвидеть результаты мно­гих окислительно-восстановитель­ных реакций.

Для этого нужно знать важнейшие окислители и восстановители, пред­ставлять их относительную окис­лительную и восстановительную способность, помнить наиболее рас­пространённые степени окисления элементов в соединениях и понимать, в виде каких ионов или молекул эти вещества существуют в той или иной среде.

Самый распространённый на Земле окислитель — кис­лород. Намного более сильным окислителем является озон О₃ — аллотропная модификация кислорода. Он способен окислять многие вещества, которые с кисло­родом при обычных условиях не реагируют, например оксид азота(1\/): 2NO₂+О₃= N₂O₅+O₂ и серебро: 2Ag+2О₃=Ag₂O₂+2О₂.

Наиболее сильный окислитель из числа простых ве­ществ — фтор. Но он слишком активен, и его трудно получить в свободном виде. Поэтому в лабораториях в качестве окислителя используют перманганат калия KMnO₄. Его окислительная способность зависит от концентрации раствора, температуры и характера среды. Кроме него применяют также дихромат калия К₂Сг₂О₇, азотную кислоту HNO₃, пероксид водорода Н₂О₂, хлор С1₂, гипохлорит натрия NaClO. Очень сильные окислители — фториды благородных газов. Самый сильный из известных окислителей — фторид кисло­рода OF₂.

Из восстановителей наиболее распространённый в природе — углерод. Его широко используют в промыш­ленности для получения металлов из оксидов: Fe₂O₃+3С=2Fe+3СО; ZnO+С=Zn+CO.

Первую химическую реакцию чело­век провёл тогда, когда научился до­бывать огонь. С той поры и до насто­ящего времени реакции горения играют первостепенную роль в на­шей жизни. Они приносят в дома теп­ло, двигают автомобили, самолёты и ракеты, помогают извлекать ценные вещества из природного сырья.

Флогистонная теория Шталя впер­вые выделила процессы горения и прокаливания металлов в отдельную группу реакций (см. статью «Химия в XVIII веке»). Кислородная теория го­рения, предложенная Лавуазье, обоб­щила экспериментальный материал, накопленный в «эпоху флогистона». А кроме того, Лавуазье выдвинул ки­слородную теорию кислот: он пола­гал, что своими свойствами кислоты обязаны присутствию в них кисло­рода (отсюда и название элемента oxygenium — «рождающий кислоты»). Поэтому реакции горения веществ на воздухе стали называть окислением, а

процессы, обратные окислению, т. е. связанные с уменьшением количест­ва кислорода в веществе, — раскисле­нием или восстановлением. Посколь­ку в ходе окислительных реакций вещество нередко разрушается (как, например, при ржавлении), термин «восстановление» указывает на про­цесс, противоположный окислению.

В дальнейшем представления о сущности процесса окисления значи­тельно расширились. Как показали эксперименты, многие вещества (во­дород, металлы) горят не только в ки­слороде, но и в хлоре, броме. А значит, окисление — это не только присоеди­нение кислорода. В 1914 г. русский учёный Лев Владимирович Писаржевский (1874—1938) предложил электронно-ионную теорию окисли­тельно-восстановительных реакций.

В наши дни химикам известны ты­сячи самых разных окислительно-восстановительных реакций, в том числе и протекающих в живых организмах. Можно с уверенностью гово­рить: химия жизни — это процессы окисления-восстановления.

Обычно считается, что измельчение вещества — фи­зический процесс. Однако это не совсем так. При дли­тельной обработке в специальных мельницах частицы вещества за счёт поглощения энергии переходят в химически активное состояние: усиливаются колеба­тельные движения атомов, молекул и ионов в узлах кри­сталлической решётки, ослабляются связи между ними, рвутся некоторые связи, возникают свободные радика­лы.

Простейшие химические реакции обычно подразделяют на четыре ти­па: реакции соединения, разложе­ния, замещения и обмена. Д. И. Мен­делеев определял соединение как реакцию, «при которой из двух ве­ществ происходит одно, или, вообще, из данного числа — меньшее их чис­ло». Например, при нагревании по­рошков железа и серы образуется сульфид железа: Fe+S=FeS. К реакциям соединения относят процессы горения простых веществ (серы, фос­фора, углерода) на воздухе: С+О₂=СО₂. Они всегда сопровождаются выделением тепла — являются экзо­термическими (см. статью «Тепло химических реакций»).

Реакции разложения, по Менделе­еву, «составляют случаи, обратные со­единению, то есть такие, при которых одно вещество даёт два, или, вообще, данное число веществ — большее их число. Так, при накаливании дерева (без доступа воздуха. — Прим. ред.) получается горючий газ, водянистая жидкость, смола или дёготь и уголь». Более простой пример — разложение известняка: СаСО₃=СаО+СО₂. Для проведения реакции разложения, как правило, требуется нагревание. Такие процессы — эндотермические, т. е. протекают с поглощением теплоты.

В реакциях двух других типов чис­ло реагентов равно числу продуктов (Менделеев называл их реакциями перемещения). Если взаимодействуют простое вещество и сложное — это реакция замещения: Fe+CuSO₄= FeSO₄+Cu.

О том, что мы имеем дело с химиче­ской реакцией, а не с физическим процессом, обычно можно судить по нескольким внешним признакам: вы­делению или поглощению тепла, об­разованию осадка, выделению газа, изменению окраски, вкуса и запаха веществ (разумеется, при подобном анализе нужна известная осторож­ность). Правда, иногда этого бы­вает недостаточно. Есть химические превращения, при которых теплота не поглощается и не выделяется или же тепловой эффект столь незначи­телен, что его сложно зафиксировать. Более того, ряд перечисленных при­знаков может соответствовать и фи­зическим процессам. Стоит открыть, например, бутылку с газированным напитком, как из неё с шипением вы­рвется углекислый газ, который был растворён в воде под большим давле­нием. А при охлаждении насыщенно­го раствора растворённое вещество часто выпадает в осадок.

ФИЗИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС И ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ

Если бы миллионы разнообразных веществ, а следовательно, и тела, из них состоящие, не претерпевали ни­каких изменений, мир был бы скуч­ным и застывшим, лишённым движе­ния, развития. К счастью, мир устроен иначе. Под воздействием внешних условий (температуры, давления, освещённости и др.) вещества изме­няются. Вода закипает и переходит в пар, лёд тает, распускаются и опада­ют листья, расцветают и увядают цве­ты. Течёт жизнь...

Изменения веществ и тел обычно подразделяют на два типа: физиче­ские процессы и химические превра­щения (реакции).

Физический процесс не затрагивает молекул (или других мельчайших структурных единиц) веществ. Их хи­мический состав остаётся прежним, меняется лишь форма тела (при де­формации), размер частичек (при измельчении вещества), агрегатное со­стояние. Кипение воды, вытягивание алюминиевой проволоки, появление инея, выпадение росы, образование ту­мана, измельчение мрамора — всё это физические процессы. При этом молекулы воды не распадаются на атомы, атомы алюминия не объединя­ются в молекулы.

А вот явления, в ходе которых од­ни вещества превращаются в другие, называют химическими превращени­ями или химическими реакциями. Они тоже знакомы каждому: горение древесины, ржавление железа, прогоркание масла, скисание молока... Химическая реакция — это взаимо­действие частиц (молекул, атомов) ве­щества или разных веществ друг с другом, которое приводит к разрыву старых и образованию новых хими­ческих связей. При этом изменяется строение молекул исходных веществ и, как правило, состав (есть и такие химические реакции, при которых состав вещества не меняется, напри­мер превращение графита в алмаз).

Тот, кто побывал в музее минерало­гии или на выставке минералов, не мог не восхититься изяществом и красотой форм, которые создала «неживая» при­рода. А кто из нас не любовался сне­жинками: их разнообразие поистине бесконечно! Ещё в XVII в. знаменитый немецкий астроном Иоганн Кеплер на­писал трактат «О шестиугольных сне­жинках», а в XX столетии были изда­ны альбомы, где представлены тысячи увеличенных фотографий "снежинок, причём ни одна из них не повторяет другую.

Особое место среди кристаллов за­нимают драгоценные камни, которые с древнейших времён привлекают внима­ние человека. Невозможно оторвать взгляд от сверкающих всеми цветами радуги алмазов, рубинов, изумрудов, сапфиров, аметистов... Теперь многие драгоценные камни люди научились получать искусственно. Например, под­шипники для часов и других точных приборов уже давно делают из искусст­венных рубинов. А можно создать и та­кие кристаллы, которых в природе вообще не существует.

Многие видные химики, минера­логи и другие учёные начинали свои первые школьные опыты именно с вы­ращивания кристаллов. Опыты эти от­носительно просты, но их результаты порой могут вызвать удивление и вос­хищение.

Чтобы вырастить кристалл, полезно знать, какие процессы управляют его ростом; почему разные вещества дают кристаллы различной формы, а некото­рые вовсе не образуют кристаллов; что надо сделать, чтобы кристаллы получи­лись большими и красивыми.

Классические теории трактуют химическую связь как взаимодействие двух атомов. Однако открыто уже до­вольно много необычных молекул, в которых химиче­ская связь возникает сразу между несколькими ато­мами. Такие связи называют многоцентровыми.

Простейший пример молекулы с трёхцентровой свя­зью — ион метония СН⁺₅. В нём три из пяти атомов во­дорода связаны с центральным атомом углерода обыч­ной ковалентной связью. Два других атома водорода удалены от атома углерода на большее расстояние. Трёхцентровую связь между этими атомами осуществляют всего два электрона: один из них предоставлен углеродом, а другой — водородом.

Трёхцентровую связь иногда обозначают треугольником, в вершинах которого находятся связанные атомы.

В молекуле ферроцена, или дициклопентадиенилжелеза Fe(C₅H₅)₂, атом Fe, расположенный между двумя циклопентадиенильными кольцами, одновременно связан со всеми десятью атомами углерода обоих колец. Связь между этими 11 атомами осуществляют 12 p-электронов двух ароматических колец.

Чтобы можно было сравнивать друг с другом химические связи, в том числе и связи разных типов, исполь­зуют единые количественные характеристики, среди которых главные — длина, энергия, полярность и порядок связи.