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

Через сто лет, теряя по миллиону долларов каждую секунду, вы бы обеднели только на 0,01 %. Можете представить? Моль – это чертовски много.

Но давайте вернемся к начальной точке. Мы используем один моль для определения соотношения молекул, необходимого для проведения химических реакций. Количество молей в уравнении обозначается коэффициентом.

Итак, если нам необходимо три моля А, четыре моля В и один моль С для того, чтобы получить один моль D, то на самом деле это означает, что нам нужно 1,807 · 1024 молекул А, 2,409 · 1024 молекул В и 6,022 · 1023 молекул С для того, чтобы получить 6,022 · 1023 молекул D. (Помните, что 1 моль равен 6,022 · 1023, так что 3 моля А – это 1,807 · 1024 молекул или 6,022 · 1023 · 3.) Однако намного проще будет понять это, если вы посмотрите на следующее химическое уравнение:

3A + 4B + C → D

Теперь, когда вы знаете о молях и характерных для химии реакциях, мы можем перейти к самому интересному: изучению разных типов химических реакций.

Если вы посмотрите на типичные химические реакции, то увидите, что обычно там образуются или разрушаются связи. Данный процесс напрямую связан с поглощением или выделением энергии. Это ответвление химии называется термодинамикой – может, вы слышали о ней раньше, когда изучали механизмы нагревания и охлаждения. Но что вам точно нужно знать, чтобы понять материал главы, так это то, что термодинамика полностью посвящена изучению связи теплоты и работы с химическими реакциями.

Потоки энергии могут быть как положительными, так и отрицательными. Мы рассчитываем поток, необходимый для разрушения всех связей в реакции, и общую энергию, которая выделяется при образовании связей. Самый простой способ запомнить разницу:

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Если при реакции поглощается больше энергии, чем выделяется, то общая энергия реакции положительная. Для лучшего понимания давайте немного «поиграем» с цифрами. (Я буду использовать джоули как наиболее распространенную единицу энергии. В химии мы обычно используем килоджоули (кДж). Приставка «кило» подразумевает, что мы говорим о тысяче джоулей.)

Например, нам требуется 500 кДж, чтобы разрушить все предыдущие связи, а также нам нужно выделить 250 кДж путем образования новых молекул. Уравнение будет выглядеть следующим образом:

общая энергия = 500 кДж – 250 кДж

общая энергия = +250 кДж

В итоге мы получили положительный заряд, равный +250 кДж. В данном примере энергии, затраченной на разрушение старых связей, было больше, чем энергии, выделившейся в процессе образования новых. Возможно, из-за того, что связи в изначальной молекуле были прочнее, чем в молекулах, которые образовались после. Если реагенты (предыдущие связи) были стабильнее продуктов реакции (новые связи), то такие изменения энергия называются эндотермическими.

Каждый раз, когда мы разрушаем связь в реакции, нам нужно добавлять энергию. Это значит, что процесс разрушения связей всегда будет эндотермическим. Давайте посмотрим на другом примере, представленном ниже. Ковалентная связь А – В разрушена, остались только атом А и атом В:

А – В + энергия → А + В

Чтобы показать эндотермический процесс, нужно сложить элементы уравнения с энергией. Эти реакции действуют точно так же, как и игра «Алибаба» (Red Rover[7]), в которую мы играли в детстве. Помните эту игру? Одна команда выстраивалась в линию, держась за руки, а участник из второй команды должен пробежать между двумя людьми и попытаться разорвать их связь. Двое всегда держатся за руки. К тому же у бегущего должно быть достаточно энергии для того, чтобы он смог разрушить связь между человеком А и человеком B.

Чтобы полностью понять этот процесс, давайте подумаем о том, что происходит, когда вы поднимаетесь по лестнице. Если вы двигаетесь снизу вверх, то вам нужно использовать энергию, чтобы поднять ногу и наступить на следующую ступеньку. Усилия, прилагаемые вами, похожи на энергию, которая необходима для разрушения связи между атомами А и В.

Если мы добавим достаточное количество тепла, то атомы начнут разделяться: это происходит реакция разложения. Важно отметить, что существует тонкая грань между достаточным количеством энергии для проведения реакции и ее избытком, который все уничтожит. Я даже не помню точное количество раз, когда из-за этого уничтожала образцы в лаборатории и печенье в духовке. Ваша еда сгорает точно таким же образом: молекулы чернеют в процессе реакции разложения, из-за чего еда принимает горелый вид. Возможно, от нее будет исходить неприятный запах.

Некоторые молекулы, например гидроксид алюминия, при достаточной температуре очень быстро разлагаются. Связи в молекуле мгновенно разрушаются, в результате чего атомы отдаляются друг от друга. Во время разложения молекула поглощает много тепла, обеспечивая защиту от огня всему, что находится рядом. Именно поэтому гидроксид алюминия используют в качестве подавителя горения в некоторых материалах (поскольку тепло не может через него пройти). Как вы уже догадались, я обожаю это соединение из-за его сильных эндотермических свойств.

Некоторым молекулам для разложения требуется еще больше энергии. Например, когда молекула кислорода взаимодействует с большим количеством энергии, например ультрафиолетовым излучением, то связи в ней разрываются или диссоциируются. Энергия ультрафиолетового излучения настолько сильна, что молекула сразу же распадается на несколько частичек. Если это происходит с газообразным кислородом, которым мы дышим, – то, что называется двухатомным кислородом (О₂) – то двойная связь разрушается, а два атома кислорода (О) освобождаются. Рассмотрим пример:

O=O → O + O

Такое разложение кислорода происходит только в том случае, если молекула поглощает поступающую энергию. Та разрушает двойную связь и заставляет два атома кислорода перейти в более высокое энергетическое состояние. Если данная реакция происходит в стратосфере, то два атома кислорода будут настолько недовольны, что сразу попытаются восстановить двойную связь. Некоторые из них «захватывают» третий атом кислорода и формируют озон (О₃). Они делают все возможное, чтобы восстановить разрушенные связи с соседними атомами.

Но как же работает этот процесс? Что именно ответственно за создание связей?

Чтобы ответить на эти вопросы, вернемся к нашим расчетам. Мы уже знаем, что для разрушения существующих связей нам необходимо +500 кДж энергии. Но теперь давайте представим, что при образовании новых молекул выделяется 750 кДж энергии. Разница в энергии составила –250 кДж, и это означает, что во время химической реакции выделилось больше энергии, чем было поглощено.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

общая энергия = 500 кДж – 750 кДж

общая энергия = –250 кДж

Если новые связи прочнее исходных, то такая реакция называется экзотермической. И у реакций с негативной энергией есть одно классное свойство: они часто происходят самостоятельно.

Если мы посмотрим на экзотермическую реакцию между твердым барием и газообразным хлором, то увидим, как они объединятся и образуют новую связь. Барий в твердом состоянии образует ионную связь с газообразным хлором, из-за чего формируется новая ионная молекула – хлорид бария. Эту химическую реакцию можно записать в виде уравнения:

[7] Отечественным аналогом можно считать один из вариантов советской игры «Красное знамя, ударное звено». (Прим. лит. ред.)