Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Есть два варианта того, как электроны будут распределяться в молекуле: в одном случае образуется полярная молекула, в другом – неполярная. Если вы разделите молекулу ровно пополам, она будет считаться полярной. Это значит, что электроны распределены внутри молекулы неравномерно: у нее есть положительная и отрицательная стороны, прямо как у магнита.

Давайте подробнее рассмотрим то, как электроны распределяются в молекуле воды. Повторюсь, кислород в молекуле воды имеет частично отрицательный заряд. Логично, что у обоих атомов водорода заряд частично положительный. Это касается каждой молекулы воды на Земле. Кислород всегда имеет частично отрицательный заряд, водород – частично положительный. В такой ситуации мы можем разделить молекулы воды пополам и получить одну положительную и одну отрицательную стороны, тем самым создав полюса молекулы.

Полярные молекулы вызывают цепную реакцию сильного притяжения между положительной и отрицательной сторонами молекулы воды. Это называют диполь-дипольным взаимодействием. Оно происходит только между молекулами с постоянным дисбалансом заряда (то есть полярными молекулами).

Прямо сейчас вокруг вас происходят сотни дипольдипольных взаимодействий. Если вы сидите на кухне, то они происходит в лежащих рядом яблоках и грушах, даже в куске свинины, говядины или рыбы! Если рядом стоит стакан воды, содовой или вина, то вы также наблюдаете особые диполь-дипольные взаимодействия. Они настолько сильны, что у них есть собственные названия. Молекулы воды – это идеальный пример молекул с водородной связью. Почему? Потому что это полярные молекулы с сильными полярными связями.

Но не забывайте, что водородная связь – это не ковалентная связь, возникающая, когда атомы водорода и кислорода объединяются, образуя молекулу воды. Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. Эта связь очень сильная: только представьте, шесть дюймов льда могут выдержать многотонный грузовик. Грузовик! С ума сойти, да?

Когда-то существовало шоу «Ледовый путь дальнобойщиков» (Ice Road Truckers), которым я была просто одержима. И знаете, это шоу – прекрасный пример водородной связи. Как человек, выросший в Мичигане, я хорошо знаю, какую опасность представляет собой тонкий лед. И я с замиранием сердца смотрела, как эти отважные дальнобойщики ездят по льду. Но водородные связи настолько сильны, что даже грузовики весом в несколько тонн могут спокойно ездить по замерзшим озерам Канады.

К счастью, у дальнобойщиков есть свои секреты и хитрости. Они могут на глаз оценить состояние льда, чтобы избежать катастрофы; но при этом не могут оценить силу притяжения, существующего между молекулами воды. Понимаете, при разрушении водородных связей молекулы могут начать фазовый переход. Даже при повреждении их небольшая часть лед может превратиться в воду. И это серьезная проблема для тех, кто работает или проводит время на замерзших озерах. Кстати, когда разрушаются все водородные связи сразу, вода может превратиться в пар. Итак, когда мы наблюдаем за таянием льда или тем, как кипит вода, на самом деле мы наблюдаем разрушение водородных связей.

И наоборот, мы можем наблюдать образование водородных связей при замерзании воды. Я использую этот фазовый перевод каждый раз, когда провожу демонстрацию под названием «Грозовое облако». Я добавляю горячую воду в емкость с жидким азотом, из-за чего вода на дне замерзает. В этом процессе тепло от горячей воды передается жидкому азоту, в результате чего жидкий азот (N₂) испаряется, образуя большое облако газообразного азота.

Как и в воде, притяжение между молекулами азота пропадает до того, как он переходит из жидкой фазы в газообразную. Но, в отличие от воды, азот не может образовывать водородные связи, так как эта связь образуется между полярными молекулами. Вместо этого молекулы азота образуют дисперсионное взаимодействие.

Оно возникает в том случае, если между молекулами появляется слабое притяжение. Помните, в прошлой главе мы говорили о трансжирах? Причина, по которой они могут скапливаться (и закупоривать артерии), состоит в том, что они используют дисперсионное взаимодействие, чтобы молекулы плотно сцеплялись друг с другом. Это касается каждой неполярной молекулы.

Но каково это, быть неполярной молекулой? Что это значит?

Неполярные молекулы не имеют положительную или отрицательную сторону. Электроны в них располагаются симметрично: представьте печенье с шоколадной крошкой. Если вы разделите его пополам, то на обеих половинках будет одинаковое количество шоколадной крошки. То же самое и с неполярными частицами – там электроны равномерно распределены по всей молекуле.

Интересный факт: неполярные молекулы примерно на наносекунду могут стать полярными! Но потом они возвращаются в обычное состояние. Это как если я надену шляпу и очки для пары фотографий в фотокабине, а затем сниму и снова стану обычной Кейт, какой была до этого.

Но как молекулы «переодеваются», чтобы добиться асимметричного распределения электронов внутри себя? У атома и молекул бывают моменты, когда электроны внутри них не уравновешены. Например, в молекуле азота (N₂) на два атома приходится четырнадцать электронов. Возможно, что на какую-то долю секунды на левой стороне молекулы будет шесть электронов, а на правой – восемь. В этот момент левая сторона молекулы имеет частично положительный заряд, а правая – частично отрицательный.

В моем опыте «Грозовое облако» одна молекула азота (молекула А) находится рядом с другой (молекула В). Когда на правой стороне молекулы А внезапно появляются восемь электронов, электроны в молекуле В будут отталкиваться от них. Это можно сравнить с посещением дома с привидениями, когда из ниоткуда на вас выпрыгивает скелет. Вы и ваши друзья отскакиваете и бежите в противоположном от скелета направлении. То же самое происходит при дисперсионном взаимодействии. Всего лишь один момент, когда молекула имеет несбалансированный заряд – или всего лишь один скелет, пугающий целую толпу, – и возникает эффект домино для целой группы молекул.

Молекула будет пытаться распределить свои электроны так, чтобы они находились на большом расстоянии друг от друга. Однако эффект домино будет повторяться снова и снова. Так чаще происходит в неполярных молекулах; вот почему они группируются друг с другом, а не улетают в атмосферу. Без дисперсионного взаимодействия каждая молекула азота просто отделилась бы от соседней, разрушив мой эксперимент.

Такие взаимодействия между молекулами весьма распространены, поэтому им дали отдельное название: межмолекулярные. Водородная связь, диполь-дипольное взаимодействие и дисперсионное взаимодействие – все это типы межмолекулярного взаимодействия. Когда оно возникает, газы могут превращаться в жидкости, а жидкости – в твердые тела. Когда разрушается – твердые тела могут превращаться в жидкости, а жидкости – в газы.

В моем эксперименте «Грозовое облако» вода сначала замерзает: это я устанавливаю водородную связь. Затем я разрушаю дисперсионное взаимодействие между молекулами азота, из-за чего азот испаряется. Эти два физических изменения происходят так быстро (и в закрытом пространстве), что я могу создать огромное многослойное облако пара.

Как вы уже заметили, меня захватывают фазовые изменения и межмолекулярные взаимодействия. Я могла бы дни напролет рассуждать о том, как расстояние между молекулами и образующиеся между ними межмолекулярные взаимодействия влияют на то, в каком состоянии будет то или иное вещество. Но мне кажется, пора двигаться дальше – может, давайте что-нибудь взорвем?

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Мы уже рассмотрели атомы, молекулы и фазовые переходы. Узнали, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Может быть в твердом (лед), жидком (вода, текущая из-под крана) и газообразном (пар) состоянии. Но что происходит, когда появляется другая, полностью другая – чужая – молекула и разрушает связи между водородом и кислородом? Атомы перестраиваются, создавая новые молекулы? А если образуются новые молекулы, то можно ли провести обратную реакцию и получить «оригинальные» молекулы? Или тут все так же сложно, как в «Назад в будущее», где одно небольшое изменение влечет за собой большие последствия? Эти вопросы – моя любимая часть химии, потому что ответ кроется в химических реакциях.

Существует две концепции, с которыми вам необходимо ознакомиться. Во-первых, важно понимать разницу между химическим уравнением и химической реакцией. Путаница между этими двумя понятиями для ученого все равно что ножом по стеклу. Или для вашего университетского профессора. К счастью, понять разницу довольно просто.

Химическую реакцию проводят в лаборатории.

Химическое уравнение записывают в тетради.

В лаборатории я могу провести химическую реакцию, просто смешав два вещества в колбе. Обычно я одета в лабораторный халат. Я внимательно наблюдаю за каждым этапом. В это время смешанное вещество может изменить цвет или даже агрегатное состояние (например, перейти из твердого в жидкое), так как все это происходит на молекулярном уровне. Идет перестройка атомов.

И напротив, если бы я просто хотела записать, что происходит во время эксперимента, какие вещества использовались и в каком количестве, то я записала бы химическое уравнение, состоящее из трех отдельных частей: (1) сторона реагентов, (2) стрелка или знак равенства и (3) сторона образовавшегося продукта реакции. Вещества, вступающие в реакцию, всегда записываются с левой стороны от стрелки, а продукты реакции – всегда справа. Обычное химическое уравнение выглядит вот так:

Реакция → Продукт реакции

Или вот так:

A + B + C → D