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

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Мы уже рассмотрели атомы, молекулы и фазовые переходы. Узнали, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Может быть в твердом (лед), жидком (вода, текущая из-под крана) и газообразном (пар) состоянии. Но что происходит, когда появляется другая, полностью другая – чужая – молекула и разрушает связи между водородом и кислородом? Атомы перестраиваются, создавая новые молекулы? А если образуются новые молекулы, то можно ли провести обратную реакцию и получить «оригинальные» молекулы? Или тут все так же сложно, как в «Назад в будущее», где одно небольшое изменение влечет за собой большие последствия? Эти вопросы – моя любимая часть химии, потому что ответ кроется в химических реакциях.

Существует две концепции, с которыми вам необходимо ознакомиться. Во-первых, важно понимать разницу между химическим уравнением и химической реакцией. Путаница между этими двумя понятиями для ученого все равно что ножом по стеклу. Или для вашего университетского профессора. К счастью, понять разницу довольно просто.

Химическую реакцию проводят в лаборатории.

Химическое уравнение записывают в тетради.

В лаборатории я могу провести химическую реакцию, просто смешав два вещества в колбе. Обычно я одета в лабораторный халат. Я внимательно наблюдаю за каждым этапом. В это время смешанное вещество может изменить цвет или даже агрегатное состояние (например, перейти из твердого в жидкое), так как все это происходит на молекулярном уровне. Идет перестройка атомов.

И напротив, если бы я просто хотела записать, что происходит во время эксперимента, какие вещества использовались и в каком количестве, то я записала бы химическое уравнение, состоящее из трех отдельных частей: (1) сторона реагентов, (2) стрелка или знак равенства и (3) сторона образовавшегося продукта реакции. Вещества, вступающие в реакцию, всегда записываются с левой стороны от стрелки, а продукты реакции – всегда справа. Обычное химическое уравнение выглядит вот так:

Реакция → Продукт реакции

Или вот так:

A + B + C → D

A, B, C, D олицетворяют собой разные молекулы, например вода или углекислый газ. Но давайте представим, что химическая реакция – это процесс приготовления торта. Тогда реагентами были бы все вещества или ингредиенты, которые для этого необходимы. В моем уравнении все ингредиенты (мука, сахар, яйца) будут располагаться в левой части уравнения. Продуктами реакции же будут все химические вещества, образующиеся по итогу; в данном случае торт. Следовательно, химическое уравнение приготовления торта будет выглядеть так:

Мука + Яйца + Сахар → Торт

Из записанного выше химического уравнения ясно, что для приготовления торта нужна одна единица муки, одна единица яйца и одна единица сахара – или один стакан муки, одно яйцо и один стакан сахара. Если вы хоть иногда готовите торты, то понимаете, что это отвратительный рецепт. Так как соотношение ингредиентов неправильное, в ходе этой химической реакции мы приготовим невкусный торт.

Когда соотношение реагентов неверное, мы говорим, что уравнение несбалансированное. Это означает, что у нас есть сомнительный рецепт, из которого вряд ли что-то получится. В химии подобные уравнения бесполезны, поэтому важно их балансировать. Сделать это можно с помощью коэффициентов, которые добавляются перед молекулой в уравнении. Получается верное соотношение, которое необходимо для получения продукта реакции. Если для приготовления торта нам требуется три стакана муки, четыре яйца и один стакан сахара, то мы балансируем наше уравнение следующим образом:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар → Торт

Обратите внимание, что мы не используем цифру 1. Если возле молекулы или атома не указана никакая цифра, то подразумевается, что это коэффициент 1.

Мы могли бы с легкостью изменить рецепт и приготовить шоколадный торт, добавив еще один реагент, какаопорошок:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар + Какао-порошок → Торт

Это уравнение тоже несбалансированное, поскольку какао на вкус горькое. Значит, мы должны добавить больше сахара. Новый рецепт может выглядеть вот так:

3 Муки + 4 Яйца + 2 Сахара + Какао-порошок → Шоколадный торт

Рецепт шоколадного торта можно слегка изменить, и тогда мы приготовим брауни или шоколадное печенье. Мука, яйца и сахар – это основа для приготовления множества десертов. То же самое и с атомами и молекулами, которые лежат в основе всех химических соединений.

Вернемся к нашему уравнению:

3A + 4B + C → D

В этом уравнении содержится важная информация. Я получаю алгоритм действий – или рецепт, – которому должна следовать, чтобы в итоге получить одну единицу D. Если бы я хотела получить одну единицу D, то использовала бы три единицы A, четыре единицы B и единицу C, смешав их в колбе. В течение нескольких часов я бы тщательно перемешивала их, может, даже воздействовала бы на вещество теплом, и в конце концов получила бы единицу D. Но что представляет собой одна единица D? Один стакан? Один грамм? Один килограмм? На самом деле один моль.

У вас может возникнуть вопрос: что за моль? В химии моль – не милое насекомое, а конкретное число, помогающее определить, сколько молекул задействовано в той или иной реакции. И мы плавно переходим ко второй вещи, которую вам нужно понимать, – что такое моль и почему эта единица измерения так важна.

Впервые данная концепция была предложена еще в 1811 году итальянским ученым Амедео Авогадро. Однако первым человеком, использовавшим слово «моль», стал немецкий ученый Вильгельм Оствальд, сокративший так немецкое слово molekül (молекула).

Не используя слово моль, Авогадро предположил, что если два образца газа имеют одинаковую температуру, давление и объем, то в них будет содержаться одинаковое количество молекул. Название газа или его вид не имеют значения, ЕСЛИ все три условия совпадают.

Давайте предположим, что в моем кабинете есть воздушный шар с газообразным кислородом и воздушный шар с газообразным азотом. Они имеют одинаковую температуру, форму и объем. Объем воздушного шара не меняется, и это означает, что давление внутри него и снаружи будет одинаковым. Так как температура, объем и давление двух воздушных шаров одинаковое, согласно предположению Авогадро, количество молекул внутри них тоже будет одинаковым. Иначе говоря, в моем воздушном шаре с азотом плавает столько же молекул, сколько и в шаре с кислородом. Разница лишь в виде этих молекул.

В 1865 году австрийский химик Йозеф Лошмидт смог определить количество молекул в образце газа. Он предложил уравнение для расчета молекул в определенном объеме вещества и тем самым обнаружил константу, которая подтвердила все идеи, предложенные Авогадро еще в начале 1800-х годах. Именно поэтому, когда в 1909 году французский физик Жан Перрен использовал «магическое» число Лошмидта, он назвал его числом Авогадро, в честь великого ученого.

Мне всегда интересно, чувствовал ли Лошмидт обиду, когда узнал название этого числа? Ну да ладно, так или иначе Перрен назвал число 6,022 · 10²³ числом Авогадро. Оно указывает на количество молекул в 32 граммах двухатомного кислорода.

В то время открытие Перрена стало сенсационным. Однако в 2019 году понятие «моль» было изменено. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) решил принять более простые определения некоторых единиц, в том числе и моля. Данное решение было встречено с радостью, так как после принятия нового определения отпала необходимость в сравнении количества атомов с конкретными образцами, например кислородом или углеродом.

Согласно новому определению, моль является пробой, в которой содержится ровно 6,022 · 10²³ элемента. Как профессор химии, я очень обрадовалась, узнав о новом определении моль. Гораздо проще объяснить студентам, что моль – это просто число; нет смысла рассказывать всю историю об Авогадро, Лошмидте и Перрене.

В новом определении моль – это просто число, равное 6,022 · 10²³. Вот и все. Просто число. Точно так же, как и декада обозначает 10, столетие – 100, а брутто – 144. Один моль обозначается 6,022 · 10²³.

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]6
  Ted-Ed – образовательный ресурс, содержащий короткие видео (5–10 минут) об интересных научных фактах. (Прим. лит. ред.)


[Закрыть] 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

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


[Закрыть]), 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:

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).

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.