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

Возможно, что на какую-то долю секунды на левой стороне молекулы будет шесть электронов, а на правой – восемь. В этот момент левая сторона молекулы имеет частично положительный заряд, а правая – частично отрицательный.

В моем опыте «Грозовое облако» одна молекула азота (молекула А) находится рядом с другой (молекула В). Когда на правой стороне молекулы А внезапно появляются восемь электронов, электроны в молекуле В будут отталкиваться от них. Это можно сравнить с посещением дома с привидениями, когда из ниоткуда на вас выпрыгивает скелет. Вы и ваши друзья отскакиваете и бежите в противоположном от скелета направлении. То же самое происходит при дисперсионном взаимодействии. Всего лишь один момент, когда молекула имеет несбалансированный заряд – или всего лишь один скелет, пугающий целую толпу, – и возникает эффект домино для целой группы молекул.

Молекула будет пытаться распределить свои электроны так, чтобы они находились на большом расстоянии друг от друга. Однако эффект домино будет повторяться снова и снова. Так чаще происходит в неполярных молекулах; вот почему они группируются друг с другом, а не улетают в атмосферу. Без дисперсионного взаимодействия каждая молекула азота просто отделилась бы от соседней, разрушив мой эксперимент.

Такие взаимодействия между молекулами весьма распространены, поэтому им дали отдельное название: межмолекулярные. Водородная связь, диполь-дипольное взаимодействие и дисперсионное взаимодействие – все это типы межмолекулярного взаимодействия. Когда оно возникает, газы могут превращаться в жидкости, а жидкости – в твердые тела. Когда разрушается – твердые тела могут превращаться в жидкости, а жидкости – в газы.

В моем эксперименте «Грозовое облако» вода сначала замерзает: это я устанавливаю водородную связь. Затем я разрушаю дисперсионное взаимодействие между молекулами азота, из-за чего азот испаряется. Эти два физических изменения происходят так быстро (и в закрытом пространстве), что я могу создать огромное многослойное облако пара.

Как вы уже заметили, меня захватывают фазовые изменения и межмолекулярные взаимодействия. Я могла бы дни напролет рассуждать о том, как расстояние между молекулами и образующиеся между ними межмолекулярные взаимодействия влияют на то, в каком состоянии будет то или иное вещество. Но мне кажется, пора двигаться дальше – может, давайте что-нибудь взорвем?

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: