Принцип ле Шателье – не только в химии
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.
Пример 4. Писатель Илья Ильф в своих записных книжках приводит смешной вопрос маленького мальчика на даче: «Мама, а курица потеет?». Мама, вероятно, знала ответ: куры потеть не могут. Поэтому в сильную жару они тяжело и часто дышат. Этот на первый взгляд частный вопрос из жизни кур ведет к серьезным экономическим потерям: в жару куры несут яйца с более тонкой скорлупой, которые легко бьются. Чтобы понять, при чем тут принцип Ле Шателье, рассмотрим систему равновесий в организме несушек, в результате которой углекислый газ воздуха переходит в карбонат кальция, из которого в основном и состоит скорлупа:
Когда курица часто дышит, первое равновесие нарушается из-за повышенного выделения углекислого газа из крови в атмосферу. В результате вся система равновесий сдвигается влево, так что часть карбоната кальция из формирующегося яйца переходит обратно в раствор, и скорлупа получается тоньше обычной. Дж. А. Маккей из города Давидсона (штат Северная Каролина, США), из статьи которого взят этот пример, предлагает простое, но необычное решение проблемы: в жаркую погоду давать курам пить газированную воду – тогда равновесие начнет смещаться вправо, а яйца станут крепче. Заканчивается же статья весьма любопытно: автор считает, что вопрос о курице и яйце является, вообще говоря, философским, однако он убежден в том, что принцип, сформулированный Ле Шателье, без сомнения, появился раньше и курицы, и яйца. И с этим нельзя не согласиться.
Серебро и человек
Во многих домах есть серебряные (или посеребренные) изделия – старые монеты, ложки, вилки, подстаканники, кольца, цепочки, другие украшения. Они значительно дешевле золотых. Ведь серебра в земной коре намного больше золота (по современным данным – примерно в 30 раз). Серебро встречается как в чистом виде (самородки), так и в соединениях с серой, чаще всего в виде минерала аргентита Ag2S. Серебряные самородки находили во многих горных местностях. В Европе это были Рудные горы, Гарц, горы Богемии, Саксонии. Легенда приписывает открытие серебряных рудников в 968 г. германскому императору Оттону I. Он послал своего егеря в лесистые горы для ловли диких зверей. Когда егерь заметил, что его коню стало тяжело подниматься вверх, он привязал его к дереву и охотился пешим. Вернувшись к коню, он увидел, что тот разрыл копытами землю и обнажил тяжелые камни. Оказалось, что это серебряная руда. Император повелел учредить в горах рудники.
