Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

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!

Моли – это не граммы (чайные ложки, столовые ложки или число Пи)

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.

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