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.