| |
 |
Водяной пар при любой температуре содержит больше химической энергии, чем жидкая вода при той же температуре. Именно поэтому при потении тело охлаждается. Химическая энергия, необходимая для испарения пота, берется из тепловой энергии тела, так что тело в результате остывает. Когда влажность воздуха так высока, что конденсация влаги практически уравновешивает ее испарение, пот собирается в капли и мы говорим «проблема не в жаре, а во влажности».
Но и это еще не все. Молекула воды сама по себе не является простейшей частицей – нет, она состоит из трех атомов. Два из них – атомы водорода, один – кислорода. Три атома удерживаются воедино с помощью сил, гораздо более крепких, чем те, что обеспечивают притяжение между соседними молекулами, настолько более крепких, что на ум сразу же приходят аналогии с веревками и канатами. Поэтому внутримолекулярные силы притяжения называют «химическими связями».
По мере нагревания воды (см. рис. 6) не только молекулы набирают кинетическую энергию и ускоряют вибрации - то же самое происходит и с составляющими эти молекулы атомами. Но даже когда вода нагревается достаточно для того, чтобы молекулы смогли разорвать все соединяющие их связи, полученной энергии еще недостаточно составляющим молекулу атомам для того, чтобы разорвать куда более прочные внутримолекулярные связи. Даже раскаленный водяной пар продолжает состоять из целых молекул воды.
Однако при температуре в несколько тысяч градусов энергия вибрации атомов приобретает достаточную силу, чтобы разорвать химические связи и вода начинает разлагаться на водород и кислород. При температуре 3000оС около четверти молекул воды распадаются на водород и кислород. Соответственно, смесь водорода и кислорода содержит в себе больше химической энергии, чем аналогичная масса воды при той же температуре.
Но и водород с кислородом, образующиеся из распавшейся воды, тоже еще не являются простыми частицами! Пока что это газы, молекула каждого из которых состоит из двух связанных между собой атомов. Связи между этими атомами тоже могут распасться, если вещество еще больше нагреть. При температуре около 3500оС около четверти молекул кислорода распадается на единичные атомы (с получением так называемого «атомного кислорода»), а доля молекул водорода, распадающихся при той же температуре на атомный водород – еще больше, около трети. И опять же, в атомной форме водород и кислород содержат больше химической энергии, чем молекулярный водород и кислород при той же температуре.
При еще более высоких температурах атомы и водорода, и кислорода могут распадаться на еще более мелкие частицы, но в рамках нашей книги мы дальше не пойдем.
Из того, что я уже сказал, видно, что связи межатомного и межмолекулярного притяжения имеют различную силу, и что при разрыве или образовании одной конкретной связи, или ее замещении на другую всегда происходит некое изменение, в ту или иную сторону, содержания в веществе химической энергии. В случаях, когда химическая энергия набирается, надо учитывать энергию, поступающую в других формах (чаще всего в тепловой), чтобы не создавалось впечатления нарушения первого закона термодинамики.
Теперь мы можем дать ответ на вопрос, откуда же берется энергия горящего угля. Тепло и свет, испускаемые при горении, возникают за счет потерь химической энергии, причиной которых являются изменения в природе химических связей в угле и атмосферном кислороде.
Для того, чтобы дальше говорить о подробностях типов взаимодействий с учетом изменений в природе химических связей (то есть – о химических реакциях), при которых производится энергия в форме тепла и света, нам необходимо выучить язык химических записей. Это нужно не для того, чтобы «наукообразить» наше повествование, а, наоборот, для того, чтобы читать было удобнее. К счастью, язык химических записей очень логичен и прост.
Начнем с того, что на данный момент известно 103 различных химических элемента, то есть – 103 различных вида атомов. В рамках этой книги все 103 нам не понадобятся. Достаточно будет около дюжины самых важных.
У каждого элемента есть, конечно же, собственное название, будь то простое, например, «железо», или сложное, например, «празеодимий». Кроме названия, известного всем химикам в мире, у каждого элемента есть еще и всемирно принятое краткое обозначение. Это одна-две буквы латинского алфавита – первая буква названия элемента по-латыни, плюс, в большинстве случаев, еще одна буква из названия.
Уже самые первые исследования структуры атомов показали, что основной параметр, по которому атомы разных видов различаются между собой – это их масса. То есть, отдельный атом углерода всегда в двенадцать раз массивнее отдельного атома водорода, отдельный атом магния в два раза массивнее отдельного атома углерода, и так далее. Поэтому атомам различных химических элементов присвоены также номера, отражающие их относительную массу. Массе атома кислорода было произвольно присвоено значение 16,0000, исходя из чего с учетом пропорций и все прочие атомы получили свой «атомный вес». (1)
(1) В 1961 году этот порядок был несколько изменен: атомный вес углерода был принят за 12,0000, а атомный вес остальных атомов – пересчитан с учетом нововведения. Поэтому атомный вес кислорода сейчас составляет 15,9994.
Молекула воды, состоящая из двух атомов водорода и одного атома кислорода, записывается, как Н2О (эту формулу знают все, даже те, кто не имеет ничего общего с химией), а формула углекислоты, состоящей из одного атома углерода и двух – водорода, обозначается, как СО2.
Каждая молекула имеет свой «молекулярный вес», равный сумме атомных весов всех составляющих ее атомов. Молекулярный вес молекулы кислорода, О2, равняется 16 + 16, то есть, 32. Молекулярный вес углекислоты – 12 + 16 + 16, то есть, 44, и так далее.
Формулы можно использовать для описания химических реакций более быстрым и точным образом, чем словесный рассказ. Например: уголь, представляющий собой практически чистый углерод, при горении вступает в соединение с содержащимся в воздухе кислородом, в результате чего получается углекислота. Химическая реакция в данном случае записывается так:
С + О2 – > CO2
Это можно перевести, как «углерод плюс кислород равно углекислота», и является прекрасным примером химического выражения.
Таким же образом, водород вступает в соединение с кислородом, в результате чего получается вода. Это можно записать таким образом:
Н2 + О2 – > Н2О
В таблице 1 я привел несколько химических элементов, с которыми мы будем дальше иметь дело в этой книге – их символические обозначения и атомные веса. Для последних приводятся самые точные значения, по новым, 1961 года, стандартам. Однако, нет никакой необходимости запоминать все десятые, сотые и тысячные доли. Большая часть значений атомных весов с легкостью округляется до целых единиц, и принято считать, что атомный вес водорода – 1, углерода – 12, натрия – 23, серы – 32, и так далее. Пожалуй, единственными случаями, когда десятичные цифры стоит брать в расчет, являются хлор с его 35Ѕ и магний с его 24Ѕ.
Писать «С» вместо «углерод», или «Н» вместо «водород» быстрее и проще, особенно это важно для химиков, которые тратят большую часть времени при написании своих работ на указание названий элементов. Когда же речь заходит об обозначении молекул, состоящих из различных сочетаний атомов, экономия становится просто невероятной. Здесь использование символики перестает уже быть вопросом одной лишь экономии сил и времени, а становится важной составляющей ясности подхода; вы и сами поймете это по ходу книги.
Возьмем, к примеру, кислород. В нормальных условиях это газ, состоящий из молекул, каждая из которых состоит, в свою очередь, из двух атомов кислорода. Следовательно, если мы просто говорим «кислород», то непонятно, что именно мы имеем в виду: атомы или молекулы. Можно, конечно, вносить ясность путем добавления уточняющих определений – говорить «атомный кислород» или «молекулярный кислород», но опять же, мало того, что мы при этом чрезмерно усложняем речевой оборот, так к тому же цель еще и остается при этом не полностью достигнутой. Ведь есть еще, например, такая форма молекулярного кислорода, как озон, в котором молекула состоит не из двух, а из трех атомов.
Для упрощения и конкретизации вопроса нужно всего лишь дописать к символу - обозначению элемента циферку, и мы получаем химическую формулу вещества, которая сама по себе говорит нам о строении молекулы. Таким образом, просто «О» обозначает атомный кислород (совсем уж дотошные педанты могут записывать его как О1, но по умолчанию и так принято считать, что если символ написан без дополнительных цифровых обозначений, то подразумевается «1»).
Молекулярный кислород обычного типа пишется О2, а озон – О3.
Точно так же азот, водород и хлор – все они в обычном виде тоже представляют собой газы, состоящие из двухатомных молекул, и записываются так: Т2, Н2 и Сl2.
Не всегда предмет состоит из молекул четко определяемого состава. Например, кусок углеродного материала (например, угля), состоит из множества атомов углерода, объединенных между собой очень сложными химическими связями. В принципе, кусок угля можно рассматривать, как единую огромную молекулу. Однако, для простоты химические элементы в твердом состоянии обозначают просто как атомы, игнорируя при этом реальные связи между этими атомами. Поэтому углерод в его твердом естественном состоянии обозначается просто как С.
Буквенно-цифровая систему можно использовать и в том случае, если молекула состоит из атомов нескольких разновидностей (такие вещества называют «сложными»). Так, например, формула сложного вещества хлороводород (это газ, состоящий из двухатомных молекул, один из атомов которой – водород, а второй – хлор) записывается так: HCl.
Но химиков такая запись не может полностью удовлетворить, и вот почему.
В первой из двух вышеприведенных реакций, где речь шла о сочетании углерода и кислорода, видно, что ни один атом не «остался без дела», все они закономерно перешли из левой части уравнения в правую. У нас изначально имеется один атом углерода (представляющий собой уголь) и два атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), а в результате мы получаем одну молекулу углекислоты, в которой содержится и тот самый атом углерода, и те самые два атома кислорода.
Но вот во втором выражении, где речь идет о соединении водорода и кислорода, дело обстоит иначе. Здесь у нас с самого начала имеется два атома водорода (представляющие собой молекулу водорода) и два атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), но в результате мы получаем молекулу воды, включающую в себя оба атома водорода, но при этом лишь один из двух атомов кислорода. Такая «неуравновешенная» запись процесса может ввести в заблуждение, поскольку позволяет предположить, что один атом кислорода просто исчез, чего на самом деле, понятно, случиться не могло. Более того, для того, чтобы использовать такие выражения для количественного расчета, они должны быть уравновешенными (см. рис. 7).
Для того, чтобы уравновесить выражение, надо указать соответствующее количество для каждого участвующего в реакции элемента. Вот как выглядит уравновешенное выражение для соединения водорода и кислорода:
2Н2 + О2 – > 2Н2О
В этом случае мы изначально берем четыре атома водорода и два атома кислорода, и в результате имеем те же четыре атома водорода и два атома кислорода. Все сходится!
Конечно, можно написать и
4Н2 + 2О2 – > 4Н2О
или
12Н2 + 6О2 – > 12Н2О
и таким образом тоже уравновесить выражение, но принято все же использовать наименьшую цифру из возможных.
Впрочем, если и принято использовать только целые числа в химических выражениях, то это правило не является универсальным. Когда речь идет о вырабатываемой в ходе химической реакции энергии (а именно об этом я и собираюсь рассказывать), часто удобнее бывает обозначать единый атом кислорода, как «ЅО2». Это не совсем хорошо, поскольку может навести на мысли о том, что «полумолекулы» существуют на самом деле, а это не так. Однако, с таким отображением удобнее вести энергетические расчеты, так что выражение для соединения водорода и кислорода можно записать и так:
Н2 + ЅО2 – > Н2О
[Рис. 7. стр. 87. Уравновешенные химические выражения.
неуравновешенные: молекула водорода; молекула кислорода; молекула воды
уравновешенные: две молекулы водорода; молекула кислорода; две молекулы воды]
В этом выражении мы изначально имеем два атома водорода и один атом кислорода (полмолекулы), а в результате получаем два атома водорода и один атом кислорода, так что выражение получается сбалансированным.
Можно привести пример подобного выражения и без участия кислорода. Водород и хлор вместе могут образовывать хлороводород, а натрий и хлор – хлорид натрия (это привычная нам поваренная соль). Эти процессы описываются такими выражениями:
Н2 + Сl2 – > 2НСl
2Na + Сl2 – > 2NaСl
Очевидно, что использование целых чисел - простейший способ записать выражения в уравновешенном виде.
Итак, ход химических реакций благодаря использованию специальных обозначений стал нам понятнее, и теперь мы можем, как я уже говорил, использовать эти выражения для различного рода вычислений. Возьмем, к примеру, выражение, представляющее соединение водорода и хлора:
Н2 + Сl2 – > 2НСl
Оно показывает, что в ходе химической реакции одна молекула водорода реагирует с одной молекулой хлора для создания двух молекул хлороводорода. В реакцию вступают равные количества молекул водорода и хлора – один к одному, два к двум, десять к десяти, миллиард к миллиарду. Однако, это не значит, что и массы вступающих в реакцию газов будут одинаковы, поскольку одна молекула хлора гораздо тяжелее, чем одна молекула водорода; соответственно, и масса участвующего в реакции хлора будет больше, чем реакция участвующего в ней же водорода.
Поскольку атомный вес водорода равен 1, а хлора – 35Ѕ то молекулярный вес Н2 равен 1 + 1, то есть 2, а молекулярный вес Сl2 равен 35Ѕ + 35Ѕ, то есть, 71. Вне зависимости от того, сколько пар молекул – по одной молекуле хлора и водорода – вступают в реакцию, отношение их масс всегда будет составлять 2 к 71. Так, две унции водорода вступят в реакцию с 71 унциями хлора; два фунта водорода – с 71 фунтами хлора; две тонны водорода – с 71 тоннами хлора, и так далее.
Удобнее всего, конечно, рассматривать, как и принято в химической науке, 2 грамма водорода и 71 грамм хлора.
Еще до того, как были установлены подробности касательно атомного строения молекул, химики уже выяснили путем точных измерений, что два грамма водорода вступают в реакцию с 71 граммами хлора. И только после того, как в результате долгих наблюдений они поняли, что хлор с водородом соединяются один к одному, был сделан вывод о том, что молекула хлора в 35Ѕ раз тяжелее молекулы водорода, и что атом хлора в 35Ѕ раз тяжелее атома водорода. Именно отношение весов в сочетаниях и позволило впервые установить значения атомных весов различных химических элементов.
Впоследствии оказалось, что количество молекул водорода в двух граммах этого вещества равняется примерно 602 000 000 000 000 000 000 000.
Это огромное число принято называть «числом Авогадро», поскольку установлено оно было в ходе исследований, проводимых итальянским химиком Амадео Авогадро примерно в 1810 году. Число Авогадро обычно обозначают, как N, и, поскольку это гораздо проще, чем писать его целиком, именно так я и буду его в дальнейшем приводить.
Таким образом, можно сказать, что N молекул Н2 весят 2 грамма. Поскольку отдельная молекула Сl2 в 35Ѕ раза массивнее, чем отдельная молекула Н2, то N молекул Сl2 тоже должны весить в 35Ѕ раза больше, чем N молекул Н2. Поэтому вес N молекул Сl2 должен составлять 2 Х 35Ѕ, то есть 71 грамм.
Подобные рассуждения справедливы для любых молекул. Вес N молекул любого вещества относится к весу N молекул водорода, как вес одной молекулы этого вещества к весу N молекул водорода.
Число N было выбрано по той причине, что вес N молекул водорода равняется молекулярному весу водорода в граммах. То есть, молекулярный вес водорода – 2, а вес N молекул водорода – 2 грамма. И, согласно описанным в предыдущем абзаце пропорциям, N молекул любого вещества будут иметь вес, равный молекулярному весу этого вещества, выраженному в граммах. Как уже было установлено, N молекул Сl2 весит 71 грамм, а молекулярный вес хлора – 71.
Поскольку молекулярный вес воды, Н2О, равен 1 + 1 + 16, то есть 18, то мы сразу же можем сказать, что N молекул воды будут весить 18 граммов, а N молекул углекислоты (молекулярный вес которой – 44) будут весить 44 грамма.
Вес, равный молекулярному весу вещества, только в граммах, называют «грамм-молекулярным», или «молярным», а количество вещества в таком случае получило название «моль». Так что N молекул любого вещества – это один моль этого вещества. Один моль водорода весит 2 грамма, один моль воды – 18 граммов, один моль углекислоты – 44 грамма, и так далее. Веса во всех этих случаях различны, но количество вещества определяется не весом, а количеством молекул.
Естественно, все вышеизложенное справедливо и для отдельных атомов. Так, N атомов углерода (С) весят 12 граммов, а Т атомов серы (S) весят 32 грамма. Атомный вес, выраженный в граммах, правильнее было бы называть «грамм-атомным» весом. Однако простоты ради я буду использовать термин «моль» применительно и к грамм-молекулярному, и к грамм-атомному весу.
Таким образом, химические выражения могут трактоваться двояко. Они описывают как поведение одного атома или одной молекулы, так и поведение N атомов или молекул. К примеру, выражение
2Н2 + О2 – > 2Н2О
можно читать, как «две молекулы водорода плюс одна молекула кислорода переходят в две молекулы воды», а можно как «два моля водорода плюс один моль кислорода переходят в два моля воды».
Поскольку молекулярные веса водорода, кислорода и воды составляют 2, 32 и 18, то один моль каждого из них весит соответственно 2 грамма, 32 грамма и 18 граммов. Так что вышеприведенное выражение можно прочесть и так: «4 грамма водорода плюс 32 грамма кислорода переходят в 36 граммов воды».
Как видно, закон сохранения материи при этом не нарушается. Изначально мы имеем 36 граммов водорода и кислорода, а в итоге – 36 граммов воды. Это справедливо только тогда, когда выражение записано в уравновешенной форме.
Еще раз: видя перед собой выражение типа:
С + О2 – > СO2
мы можем прочесть его трояко:
(а) «один атом углерода плюс одна молекула кислорода переходят в одну молекулу углекислоты;
(b) «один моль углерода плюс один моль кислорода переходят в один моль углекислоты»;
(с) «12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода переходят в 44 грамма углекислоты».
Вот мы и освоили язык химических формул в том объеме, который будет необходим нам для рассуждений об изменении энергетического содержания веществ в ходе химических реакций, аналогичных (хочется верить) тем, что происходят в организме человека.
Глава 8.
Тепло и химические реакции
Не существует способа напрямую измерить химическую энергию, но тепловую энергию измерить несложно. Поэтому предположим, что некоторую реакцию проводят в замкнутой камере, запуская ее, скажем, через электрический провод. Камера со всех сторон омывается определенным количеством воды, которая тщательно перемешивается. Вся система «камера плюс вода» изолирована во избежание теплообмена с окружающей средой.
Предположим, что в камере электрический ток поджигает смесь водорода с кислородом. В результате происходит вспышка и образуется вода. Химическая энергия, представленная связями между атомами водорода и кислорода в молекулах соответствующих газов, больше, чем представленная связями в молекуле воды. Поэтому при переходе от кислорода и водорода к воде химическая энергия теряется. Но эта потеря химической энергии строго уравновешивается выработкой равного количества энергии в форме тепла.
В результате появления в камере этого тепла температура окружающей камеру воды повышается. Перемешивание воды обеспечивает ее равномерный и как можно более быстрый прогрев. Изоляция системы гарантирует, что повышение температуры воды происходит исключительно за счет повышения температуры в камере.
Измерение повышения температуры заранее известного объема воды позволяет подсчитать количество калорий тепла, вырабатываемого в ходе реакции («теплоту реакции»), что автоматически свидетельствует об аналогичном изменении в содержании химической энергии. Строго говоря, при обычной реакции горения не вся вырабатываемая в ее ходе энергия уходит в тепло, поскольку, как правило, кроме тепла, вырабатывается еще и значительное количество света. Однако в замкнутой камере любой вырабатываемый свет быстро поглощается стенами и переводится в тепло. Есть крайне малая вероятность того, что реакции будет сопутствовать увеличение химической энергии, и тогда для уравновешивания этих изменений должно будет исчезнуть эквивалентное количество тепла, и, следовательно, температура окружающей камеру воды понизится.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
