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

Всякий раз, когда я сжигаю водород, газ воспламеняется, а в воздухе звучит хлопок. Этот хлопок – результат перегруппировки атомов водорода и кислорода при образовании двух молекул воды. Поскольку это происходит в микроскопическом масштабе, я никогда не вижу образовавшиеся капли воды.

«На микроскопическом уровне» означает, что для формирования двух молей воды требуется два моля водорода и один моль кислорода (1,204 · 1024 молекул водорода и 6,022 · 1023 молекул кислорода реагируют с образованием 1,204 · 1024 молекул воды). Чтобы протекла химическая реакция, все связи (водород – водород и кислород – кислород) должны разрушиться. Только так между водородом и кислородом смогут сформироваться новые связи.

Чтобы не запутаться, давайте рассмотрим химическое уравнение без использования коэффициентов. Эта версия уравнения тоже правильная, но так никто не записывает.

H₂ + H₂ + O₂ → H₂O + H₂O

Мы видим, что есть три разные молекулы, которые разрушатся, а затем образуются две новые. Однако нам все еще трудно увидеть связь внутри молекул. Мы можем переписать химическое уравнение следующим образом:

H – H + H – H + O=O → H – O – H + H – O – H

В переписанном уравнении мы лучше понимаем связи между атомами. Если мы воспользуемся таблицей энергии связей – таблицей, где указана энергия, необходимая для разрушения или образования связи, – которая есть во многих книгах по химии (и учебниках), то сможем предсказать, какой будет реакция: экзотермической или эндотермической. Энергии связей H – H, O=O и H – O составляют 432, 495 и 467 кДж соответственно. Если мы подставим эти данные в уравнения, то определим, каким будет изменение энергии при сгорании водорода: положительным или отрицательным.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O – H + H – O – H]

У воды есть две эквивалентные водородно-кислородные связи, так что мы можем переписать вторую часть уравнения следующим образом:

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O + H – O + H – O + H – O]

Теперь у нас есть две связи водород – водород и четыре связи водород – кислород. Мы можем упростить наше уравнение следующим образом:

Общая энергия = [2(H – H) + O=O] – [4(H – O)]

Теперь мы можем вычислить, что изменение энергии при сгорании водорода будет отрицательным:

Общая энергия = [2(432) + (495)] – [4(467)]

Общая энергия = –509 кДж

Эта экзотермическая реакция – реагенты обладали большей энергией, чем продукты реакции.

Но что на самом деле говорит нам число 509 кДж? Во-первых, оно указывает на то, что реакция произойдет спонтанно (сама по себе, без воздействия извне). Это не должно удивлять, многие знают, что водород весьма взрывоопасен и легко воспламеняется.

Во-вторых, мы будем ожидать, что в ходе реакции выделится тепло. Все экзотермические реакции всегда «горячие». Если мы будем находиться близко к месту проведения реакции, то сможем физически почувствовать выделяющуюся энергию.

Это очень важно, ведь если ученые смогут точно предсказывать, сколько тепла выделится при той или иной реакции, то смогут использовать это для создания множества полезных и интересных технологий, например, грелки для рук. Недавно мой муж получил плюсик в карме: в середине ноября мы посетили национальный парк Секвойя, и он перед поездкой взял с собой грелки для рук. Мы выходили гулять утром, и на улице было очень холодно – даже не представляю, чтобы я делала без своих «химических горячих карманов».

Если вы никогда не пользовались грелками для рук, то представьте небольшие чайные пакетики с черным порошком внутри. Когда на металлический порошок воздействует кислород, происходит экзотермическая реакция, в ходе которой выделяется тепло. Это тепло будет выделяться несколько часов, в течение которых ваши руки будут оставаться красивыми и в тепле. Но удивительно другое: то же самое используется для обогрева небольших комнат или поддержания определенной температуры при транспортировке тропических рыб! Одну химическую реакцию можно использовать для разных целей.

С другой стороны, эндотермические реакции не выделяют тепло. Ваша мама когда-нибудь заставляла вас полоскать больное горло соленой водой? Моя – постоянно. Я растворяла столовую соль в воде – получалась соленая вода, которой я прополаскивала горло. Но меня тогда удивляла одна вещь – соленая вода всегда была холодной. Каждый раз, когда я добавляла в воду соль, температура воды падала. Не верите? Попробуйте сами!

Когда мы добавляем к воде соль, протекает эндотермическая реакция. Полученный раствор будет холоднее воды, и это происходит в ходе всех эндотермических реакций.

Если вы когда-нибудь использовали гипотермический пакет, то, я уверена, благословили всех ученых за его создание. Гипотермические пакеты состоят из двух. В первом пакетике находится соль, например нитрат аммония, а во втором – чистая вода без примесей. Чаще всего в подобных пакетах используется нитрат аммония, поскольку при его растворении в воде происходит особенно эндотермическая – или холодная – реакция.

Всякий раз, когда на футбольном поле требовалась медицинская помощь, мой тренер брал гипотермический пакет и сразу же начинал его мять. Только во взрослом возрасте я узнала, что вы можете «активировать» пакет, просто сжав. В любом случае оба пакета внутри разрываются, и происходит химическая реакция. Как только соль попадает в воду, она начинает растворяться и понижать температуру жидкости, одновременно с этим принося пострадавшему игроку облегчение.

Грелки для рук и гипотермические пакеты – это уникальные предметы, которые практически всегда можно найти в аптечках первой помощи. Удивительно, что с помощью двух основных химических реакций можно создать предметы, которые буквально могут спасти жизнь.

Поздравляю! Только что вы узнали почти все, о чем я рассказываю на шестинедельном вводном курсе по общей химии. Теперь вы можете рассказать мне о структуре атома и о формировании связей между ними. Вы умеете отличать ионные связи от ковалентных, а также объяснять механизм образования связи между молекулами. Способны сравнивать химические и физические изменения веществ. Наконец, вы понимаете, какие энергетические изменения происходят во время реакции и каковы различия между эндотермическими и экзотермическими процессами.

Вы закончили курс Chem 101, и я с нетерпением жду вас во второй части этой книги. У нас заложена хорошая база, и теперь мы можем обсудить более интересные вещи. Например, из чего состоит ваш утренний завтрак или что происходит на самом деле, когда вы моете голову шампунем. Вы сталкиваетесь с химией ежедневно, и мне кажется, вы будете удивлены тем, насколько часто ее используете. Итак, возьмите с собой фартук, потому что мы идем на кухню!