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

Ba + Cl₂ → BaCl₂

И хотя вам может показаться, что из уравнения ничего не понять, просто поверьте. Если я говорю, что барий и хлор при образовании ионной связи будут выделять немного энергии, все так и есть. При образовании новой связи выделяется энергия, поскольку у исходных веществ, перед началом реакции, было больше энергии, чем есть у тех, которые появились в результате.

Мы можем записать это в виде химического уравнения:

Ba + Cl₂ → BaCl₂ + энергия

Или в более общем виде:

A + B → А + В + энергия

При образовании связи между двумя атомами энергия внутри самих атомов снижается. Природа всегда пытается оказаться в месте с более низкой энергией. Нам ведь не хочется заниматься физическими упражнениями после долгого и тяжелого дня, верно? Атомы после проведения химической реакции тоже стараются оставаться в состоянии с низкой энергией. Низкая энергия – это хорошо, так как полученная молекула будет стабильнее атомов, из которых она образовалась.

Не забывайте, что стабильность в химии – это гарант того, что молекула практически не будет реагировать с другими молекулами. Что еще важнее, ее электроны будут притягиваться к протонам в ядре каждого из атомов. Большое, сильное притяжение между электронами и протонами значит, что валентные электроны «защищены», так как им трудно реагировать с другими молекулами.

Вот что происходит, когда изменение общей энергии является отрицательным. Атомы с легкостью перестраиваются и переходят на низкий энергетический уровень, а это значит, что продукты реакции будут намного стабильнее реагентов. Именно это происходит при реакциях соединения, противоположных реакции разложения. Если вы подумали, что молекулы могут встать в строй, как Beyoncé и ее танцоры, то вы угадали. Реакция соединения происходит тогда, когда два атома или две молекулы объединяются, образуя новую связь. Точно так же, как и на выступлениях Beyoncé, где она и ее танцоры выступают как один организм.

Классический пример реакции соединения – экзотермическая реакция. Реагент А взаимодействует с реагентом В и образует продукт реакции A – B. Чтобы реакция прошла успешно, между реагентами А и В должна образоваться связь; это означает, что они должны притягиваться друг к другу. Реакция соединения может возникнуть между двумя атомами, двумя молекулами и даже между атомом и молекулой.

Образованная между А и В связь может быть как ионной, так и ковалентной. Обычно такая реакция положительная, поскольку полученная молекула стабильнее, чем используемые реагенты. На самом деле эта связь могла вообще не образоваться, если бы она была чуть менее стабильной. Такое взаимодействие можно сравнить с людьми, состоящими в идеальных отношениях: им лучше находиться вместе, чем порознь. Поскольку каждый из них выявляет лучшие качества в партнере, они будут намного счастливее, если окажутся связаны с кем-то. С атомами в реакциях соединения то же самое: им намного лучше вместе.

Прекрасный пример – реакция между железом и кислородом. Когда железо подвергается воздействию кислорода, оно начинает ржаветь. Здесь железо и кислород вступают в реакцию соединения и образуют оксид железа. Рассмотрим уравнение:

2Fe + ³/₂O₂ → Fe₂O₃ + энергия

Поскольку это экзотермическая реакция мы понимаем, что оксид железа будет стабильнее железа или кислорода. Это одна из причин, почему так легко образуется ржавчина; железо скорее вступит в реакцию с кислородом, чем будет находиться само по себе.

Две основные химические реакции, – соединения и разложения – относительно простые. Мы либо добавляем энергию, чтобы разорвать связь в реакциях разложения, либо не добавляем, и она выделяется при образовании новых связей в реакциях соединения. К сожалению, большинство химических реакций намного сложнее. Дело в том, что обычно формируются и разрушатся многократные связи. Это означает, что в ходе реакции должно выделиться количество энергии, достаточное для того, чтобы разорвать связи в реагентах: только так атомы смогут перестроиться и образовать новые связи.

В качестве примера давайте рассмотрим две молекулы: молекула А – В и молекула С – D. А и С – это катионы (+), а В и D – анионы (—). Химическое уравнение представлено ниже:

A – B + C – D → A – D + B – C

Чтобы реакция началась, мне нужно добавить определенное количество тепла, достаточное для разрушения связи между атомами А и В и связи между атомами С и D. Как только это случится, атомы перестроятся. Сформируются новые связи между А и D и В и С. (Не забывайте, что А и С отталкиваются друг от друга, так как оба имеют положительный заряд. То же самое касается В и D, ведь они оба отрицательного заряда.)

Вы можете задаться вопросом: «А почему атомы решили сформировать новые молекулы с другими атомами, а не вернулись к изначальным партнерам?» Ответ прост: новые связи более прочные. Между А и D притяжение сильнее, чем между А и В.

Вы когда-нибудь слышали историю о том, как Райан Рейнольдс познакомился с Блейк Лайвли? Сейчас расскажу.

Райан и Блейк встретились на двойном свидании вслепую, однако изначально они были в паре с другими людьми: Райан был с другой девушкой, а Блейк – с другим мужчиной. Видимо, ни один из них не был увлечен своим партнером, поэтому они влюбились друг в друга. Запишем это в виде уравнения:

Райан – Женщина + Блейк – Мужчина → Райан – Блейк + Женщина – Мужчина

Это неловкое свидание – отличный пример реакции двойной замены. На половине реагентов разрываются две связи, а на половине продукта реакции формируются две новые. Получившиеся связи намного прочнее первоначальных, так как теперь между атомами существует сильное притяжение. Это подтверждается крепким браком Райана и Блейк.

По правде говоря, я сильно расстроюсь, если они когда-нибудь расстанутся. Знаете, их история – отличный пример реакции двойной замены. Я даже могу предположить, что их отношения очень прочные, а их брак действительно идеальный.

Если Райан и Блейк – это двойная реакция замены, то Кэрри и Биг из «Секса в большом городе» – это реакция горения. Они то сходились, то расходились, и их отношения были «взрывоопасными», окруженными большим количеством тепла и энергии. В качестве примера я собираюсь проанализировать одну из моих любимых реакций, горение водорода. (Я же говорила, что что-нибудь да взорву.) В этой химической реакции газообразный водород и кислород вступают в реакцию, образуя воду:

H₂ + O₂ → H₂O + энергия

С этим уравнением связана одна большая проблема: на половине реагента у нас есть два атома кислорода, в то время как на половине продукта мы видим только один. Это означает, что химическое уравнение несбалансированное; я писала об этом в начале главы. Следовательно, чтобы не потерять атомы в ходе реакции, нам нужно добавить коэффициенты. Сбалансированное химическое уравнение выглядит вот так:

2H₂ + O₂ → 2H₂O + энергия

Теперь у меня есть четыре атома водорода с левой стороны (по два атома на каждую молекулу водорода) и четыре с правой стороны (по два атома на каждую молекулу воды). У меня есть два атома кислорода с левой стороны (два атома в одной молекуле) и два с правой стороны (по одному атому на каждую молекулу воды).