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

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).

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.