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

A, B, C, D олицетворяют собой разные молекулы, например вода или углекислый газ. Но давайте представим, что химическая реакция – это процесс приготовления торта. Тогда реагентами были бы все вещества или ингредиенты, которые для этого необходимы. В моем уравнении все ингредиенты (мука, сахар, яйца) будут располагаться в левой части уравнения. Продуктами реакции же будут все химические вещества, образующиеся по итогу; в данном случае торт. Следовательно, химическое уравнение приготовления торта будет выглядеть так:

Мука + Яйца + Сахар → Торт

Из записанного выше химического уравнения ясно, что для приготовления торта нужна одна единица муки, одна единица яйца и одна единица сахара – или один стакан муки, одно яйцо и один стакан сахара. Если вы хоть иногда готовите торты, то понимаете, что это отвратительный рецепт. Так как соотношение ингредиентов неправильное, в ходе этой химической реакции мы приготовим невкусный торт.

Когда соотношение реагентов неверное, мы говорим, что уравнение несбалансированное. Это означает, что у нас есть сомнительный рецепт, из которого вряд ли что-то получится. В химии подобные уравнения бесполезны, поэтому важно их балансировать. Сделать это можно с помощью коэффициентов, которые добавляются перед молекулой в уравнении. Получается верное соотношение, которое необходимо для получения продукта реакции. Если для приготовления торта нам требуется три стакана муки, четыре яйца и один стакан сахара, то мы балансируем наше уравнение следующим образом:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар → Торт

Обратите внимание, что мы не используем цифру 1. Если возле молекулы или атома не указана никакая цифра, то подразумевается, что это коэффициент 1.

Мы могли бы с легкостью изменить рецепт и приготовить шоколадный торт, добавив еще один реагент, какаопорошок:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар + Какао-порошок → Торт

Это уравнение тоже несбалансированное, поскольку какао на вкус горькое. Значит, мы должны добавить больше сахара. Новый рецепт может выглядеть вот так:

3 Муки + 4 Яйца + 2 Сахара + Какао-порошок → Шоколадный торт

Рецепт шоколадного торта можно слегка изменить, и тогда мы приготовим брауни или шоколадное печенье. Мука, яйца и сахар – это основа для приготовления множества десертов. То же самое и с атомами и молекулами, которые лежат в основе всех химических соединений.

Вернемся к нашему уравнению:

3A + 4B + C → D

В этом уравнении содержится важная информация. Я получаю алгоритм действий – или рецепт, – которому должна следовать, чтобы в итоге получить одну единицу D. Если бы я хотела получить одну единицу D, то использовала бы три единицы A, четыре единицы B и единицу C, смешав их в колбе. В течение нескольких часов я бы тщательно перемешивала их, может, даже воздействовала бы на вещество теплом, и в конце концов получила бы единицу D. Но что представляет собой одна единица D? Один стакан? Один грамм? Один килограмм? На самом деле один моль.

У вас может возникнуть вопрос: что за моль? В химии моль – не милое насекомое, а конкретное число, помогающее определить, сколько молекул задействовано в той или иной реакции. И мы плавно переходим ко второй вещи, которую вам нужно понимать, – что такое моль и почему эта единица измерения так важна.

Впервые данная концепция была предложена еще в 1811 году итальянским ученым Амедео Авогадро. Однако первым человеком, использовавшим слово «моль», стал немецкий ученый Вильгельм Оствальд, сокративший так немецкое слово molekül (молекула).

Не используя слово моль, Авогадро предположил, что если два образца газа имеют одинаковую температуру, давление и объем, то в них будет содержаться одинаковое количество молекул. Название газа или его вид не имеют значения, ЕСЛИ все три условия совпадают.

Давайте предположим, что в моем кабинете есть воздушный шар с газообразным кислородом и воздушный шар с газообразным азотом. Они имеют одинаковую температуру, форму и объем. Объем воздушного шара не меняется, и это означает, что давление внутри него и снаружи будет одинаковым. Так как температура, объем и давление двух воздушных шаров одинаковое, согласно предположению Авогадро, количество молекул внутри них тоже будет одинаковым. Иначе говоря, в моем воздушном шаре с азотом плавает столько же молекул, сколько и в шаре с кислородом. Разница лишь в виде этих молекул.

В 1865 году австрийский химик Йозеф Лошмидт смог определить количество молекул в образце газа. Он предложил уравнение для расчета молекул в определенном объеме вещества и тем самым обнаружил константу, которая подтвердила все идеи, предложенные Авогадро еще в начале 1800-х годах. Именно поэтому, когда в 1909 году французский физик Жан Перрен использовал «магическое» число Лошмидта, он назвал его числом Авогадро, в честь великого ученого.

Мне всегда интересно, чувствовал ли Лошмидт обиду, когда узнал название этого числа? Ну да ладно, так или иначе Перрен назвал число 6,022 · 1023 числом Авогадро. Оно указывает на количество молекул в 32 граммах двухатомного кислорода.

В то время открытие Перрена стало сенсационным. Однако в 2019 году понятие «моль» было изменено. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) решил принять более простые определения некоторых единиц, в том числе и моля. Данное решение было встречено с радостью, так как после принятия нового определения отпала необходимость в сравнении количества атомов с конкретными образцами, например кислородом или углеродом.

Согласно новому определению, моль является пробой, в которой содержится ровно 6,022 · 1023 элемента. Как профессор химии, я очень обрадовалась, узнав о новом определении моль. Гораздо проще объяснить студентам, что моль – это просто число; нет смысла рассказывать всю историю об Авогадро, Лошмидте и Перрене.

В новом определении моль – это просто число, равное 6,022 · 1023. Вот и все. Просто число. Точно так же, как и декада обозначает 10, столетие – 100, а брутто – 144. Один моль обозначается 6,022 · 1023.

В предыдущей главе мы говорили о мирах: мир, который мы можем видеть своими глазами (макроскопический), и мир, который мы не видим (микроскопический). Что же, моль является мостиком между этими двумя мирами. Мы используем его для преобразования масс из макроскопического мира в молекулы в микроскопическом мире.

Моли важны, когда такие ученые, как я, хотят определить количество молекул в конкретном образце. Этим мы и занимаемся, когда готовим торт или взрываем что-нибудь. Моль в мире химии – это что-то огромное. Просто чтобы вы имели представление: 10⁶ – это миллион, 10⁹ – это миллиард, а 10¹² – это триллион. По сути, реальное значение одного моля составляет 602 секстиллиона или 602 200 000 000 000 000 000 000.

602 200 000 000 000 000 000 000!

Важно понимать, что три моля A, четыре моля B и один моль C не равно трем граммам A, четырем граммам B и одному грамму C. Нет, моли так не работают. Помните, мы с вами обсуждали атомную массу из периодической системы? Она указывает не только на среднее количество протонов и нейтронов, но также и на то, сколько граммов каждого элемента содержится в одном моле.

Возьмем, к примеру, кобальт. Если мы посмотрим на периодическую таблицу в конце книги, то увидим, что в одном моле кобальта содержится 58,93 грамма вещества. Итак, если для моего уравнения требуется три моля кобальта, то мне нужно отвесить 176,79 грамма (58,93 × 3 = 176,79). Если бы я добавила только 3 грамма, то химическая реакция… прошла бы не так хорошо, поскольку мне бы не хватало еще 173,79 грамма.

Мы используем моли и добиваемся идеального соотношения атомов для того, чтобы химическая реакция прошла успешно. Иначе это было бы точно так же, как если бы пекарь смешал шесть стаканов муки и один стакан сахара в попытке испечь именинный торт. Ничего не получится.

Дэниел Дулек, специалист по детским инфекционным заболеваниям, выступил на Ted-Ed[6] с докладом о молях. Он также привел одну из лучших аналогий, какую я когда-либо слышала. Если бы вам подарили моль пенни на день рождения, а потом начали бы уничтожать по миллиону долларов в секунду, то к вашему сотому дню рождения у вас бы сохранилось 99,99 % от подаренных вам денег.

[6] Ted-Ed – образовательный ресурс, содержащий короткие видео (5–10 минут) об интересных научных фактах. (Прим. лит. ред.)