Помоги проекту - поделись книгой:
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 1 атом углерода (представляющий собой уголь) и 2 атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), а в результате мы получаем 1 молекулу углекислоты, в которой содержатся и тот самый атом углерода, и те самые 2 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 2 атома водорода (представляющие собой молекулу водорода) и 2 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 1 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 (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:
В этом случае мы изначально берем 4 атома водорода и 2 атома кислорода и в результате имеем те же 4 атома водорода и 2 атома кислорода. Все сходится!
Конечно, можно написать
или
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 1/2O2. Это не совсем хорошо, поскольку может навести на мысль 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:
В этом выражении мы изначально имеем 2 атома водорода и 1 атом кислорода (полмолекулы), а в результате получаем 2 атома водорода и 1 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:
Очевидно, что использование целых чисел — простейший способ записать выражения в уравновешенном виде.
Итак, ход химических реакций благодаря применению 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:
Оно показывает, что в ходе химической реакции одна молекула водорода реагирует с 1 молекулой хлора для создания 2 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 — 351/2, то молекулярный вес Н2 равен 1 + 1, то есть 2, а молекулярный вес Cl2 равен 351/2 + 351/2, 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 2:71. Так, две унции водорода вступят в реакцию с 71 унцией хлора; два фунта водорода — с 71 фунтом хлора; две тонны водорода — с 71 тонной 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 2 грамма водорода вступают в реакцию с 71 граммом хлора. И только после того, как в результате долгих наблюдений они поняли, что хлор с водородом соединяются 1:1, был сделан вывод о том, что молекула хлора в 351/2 раза тяжелее молекулы водорода и что атом хлора в 35У2 раза 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 2 граммах этого вещества равняется примерно 6O2 000 000 000 000 000 000 000.
Это огромное число принято называть «числом Авогадро», поскольку установлено оно было в ходе исследований, которые проводил итальянский химик Амадео Авогадро примерно в 1810 году. Число Авогадро обычно обозначают
Таким образом, можно сказать, что
Подобные рассуждения справедливы для любых молекул. Вес
Число
Поскольку молекулярный вес воды, H2O, равен 1 + 1 + 16, то есть 18, то мы сразу же можем сказать, что
Вес равный молекулярному весу вещества, только в граммах, называют «грамм-молекулярным», или «молярным», а количество вещества в таком случае получило название «моль». Так что
Естественно, все вышеизложенное справедливо и для отдельных атомов. Так,
Таким образом, химические выражения могут трактоваться двояко. Они описывают как поведение одного атома или одной молекулы, так и поведение
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 1 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
мы можем прочесть его трояко:
а) «один атом углерода плюс одна молекула кислорода переходят в одну молекулу углекислоты»;
б) «один моль углерода плюс один моль кислорода переходят в один моль углекислоты»;
в) «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
Способа напрямую измерить химическую энергию не существует, но тепловую энергию измерить несложно. Предположим, что некоторую реакцию проводят в замкнутой камере, запуская ее, скажем, через электрический провод. Со всех сторон камера 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.
Когда в камере появляется это тепло, 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.
Такую камеру называют калориметром (от латинских слов «тепло» и «мерить»), а исследования, проводимые с ее использованием, — калориметрическими. Реакции, производимые в камере калориметра, обычно происходят со скоростью взрыва, поэтому саму камеру иногда называют «бомбой» (рис. 8).
История современных способов калориметрии началась с экспериментов датского химика Юлиуса Томсена и французского физика Пьера Эжена Марселена Бертло, которые произвели сотни калориметрических измерений во второй половине XIX века.
Измеряя теплоту реакций превращения смеси водорода и кислорода в воду, невозможно установить абсолютное количество химической энергии, присутствующей в смеси водорода и кислорода, или в воде. Можно измерить лишь разницу химических энергий до и после реакции — разность уровней химической энергии воды и смеси водорода и кислорода. Но только эта разность и может представлять практический интерес для химика, поскольку, согласно второму закону термодинамики, количество работы, которое можно извлечь из химической реакции, зависит только от разности уровней химической энергии, так же как и количество работы, которое можно извлечь из тепловой машины, зависит только от разности уровней тепловой энергии (то есть температур).
В физике и математике любую разность часто представляют греческой буквой «дельта» (Δ) перед самим значением. Таким образом, если мы обозначаем энергию буквой Е, то разность энергий будет обозначаться как ΔЕ, что читается как «дельта Е». Применительно к реакции получения воды из водорода и кислорода, ΔЕ может представлять как потерю химической энергии во время этого процесса, так и получение тепловой. Естественно, в обоих этих случаях она будет иметь одно и то же значение.
Однако измерение теплоты реакции можно проводить двумя способами. Вещества, вступающие в химическую реакцию, можно брать в определенных количествах, как это делается в калориметрах. Объем бомбы калориметра в ходе реакции не меняется. Если в результате реакции увеличивается количество газа (а калориметрические эксперименты проводят чаще всего именно с газами или парами), занимаемый им объем все равно остается прежним и соответственно давление возрастает. И если количество газа уменьшается, объем все равно остается прежним и давление падает. Обозначение ΔЕ специально относится к изменению энергии именно в данных условиях сохранного объема и переменного давления. (Иногда используется обозначение ΔU, но я буду придерживаться ΔЕ.)
С другой стороны, можно представить себе и ситуацию, когда реакция проводится в сосуде, верх которого представляет собой поршень, способный сдвигаться вверх и вниз без трения, герметично прилегая при этом к стенкам сосуда. В таком сосуде давление меняться не будет, поскольку оно всегда будет оставаться ровно таким, чтобы держать вес поршня. При возрастании давления поршень будет двигаться вверх, пока объем той части сосуда, где произошла реакция, не вырастет настолько, что давление опять приобретет прежнее значение. Если же давление упадет, то и поршень двинется вниз, что приведет к уменьшению объема и увеличению давления до уравновешивающего значения. В таких условиях, независимо от того, как меняется в ходе реакции количество газа, давление останется неизменным, а меняться будет только объем. Тогда реакция будет происходить при постоянном давлении и переменном объеме.
Один моль любого газа при нормальном атмосферном давлении занимает всегда один и тот же объем (22,4 литра), поскольку размер молекул не влияет на их количество в заданном объеме. В реакции водорода и кислорода
2 моля водорода соединяются с 1 молем кислорода для образования 2 молей воды (разумеется, при той температуре, при которой происходит эта реакция, вода образуется в единственно возможной форме — газообразной, то есть получается водяной пар). Иначе говоря, на входе реакция имеет 3 моля газов, а на выходе — только 2. (Разумеется, масса участвующего в реакции вещества не меняется; просто в воде атомы сгруппированы плотнее, чем в водороде и кислороде.)
В камере с поршнем это уменьшение объема тут же вызовет втягивание поршня, и давление восстановится на прежнем уровне. В бомбе калориметра, где объем уменьшиться не может, вместо этого на треть уменьшится давление (возможно, это проще понять, рассмотрев рис. 9).
В первом и во втором случаях будет зафиксировано разное количество изменения энергии. При постоянном давлении оно будет больше, чем при постоянном объеме. Символ, которым обозначают изменение энергии при постоянном давлении, — ΔН, где Н — тепловое содержание, иначе именуемое «энтальпия». Таким образом, для нашей конкретной реакции ΔН больше, чем ΔЕ. Это отношение можно выразить и математически, и одно можно без проблем вывести из другого.
В природе химические реакции происходят обычно при постоянном давлении — это атмосферное давление, и оно практически всегда одинаково. Поэтому из двух названных нами величин больше практической ценности имеет ΔН, и получаемую с помощью калориметра ΔЕ переводят в ΔН.
Возникает вопрос и о том, для какого количества материала подсчитывается ΔН. Очевидно, что если в кислороде сжечь 10 граммов водорода, то будет произведено в десять раз больше тепла, чем если сжечь 1 грамм. Более того, каким образом сравнивать тепло от сжигания водорода с теплом от сжигания углерода? Если сжечь для сравнения по грамму того и другого, то как учесть при этом тот факт, что 1 грамм водорода содержит в двенадцать раз больше атомов, чем 1 грамм углерода?
Химики решили, что полезнее всего с практической точки зрения определять тепло реакции на молярной основе, то есть сравнивать теплоту реакции 1 моля водорода, сжигаемого в кислороде, с теплотой реакции 1 моля опять же сжигаемого в кислороде углерода. Тогда веса участвующих в реакции веществ будут разными, но количество молекул — одинаковым, а это важнее.
Поэтому ΔН, как правило, принято понимать как «молярную теплоту реакции при постоянном давлении». Это та величина, на которую изменяется тепловое содержание 1 моля интересующего нас вещества при его вступлении в реакцию.
Вернемся к примерам. Вот еще одно соединение — углерода и кислорода:
Молярная теплота данной реакции — 94,03 килокалории. Поэтому для полноты уравнения это значение тоже следует указать в выражении, поскольку в полном значении этого слова соединение углерода и кислорода производит не только углекислоту, но и энергию в виде света и тепла. Поэтому в полном виде наше выражение будет выглядеть так:
Это можно прочесть так: 1 моль углерода плюс 1 моль кислорода производят 1 моль углекислоты плюс 94,03 килокалории. Или так (что то же самое): 12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода производят 44 грамма углекислоты плюс 94,03 килокалории.
Чаще же теплоту реакции не вписывают в само уравнение, а указывают сбоку, как отдельный параметр, таким образом:
ΔН = -94,03 ккал.
Обратите внимание, что значение ΔН в данном случае приведено как отрицательная величина. Дело в том, что при соединении углерода с кислородом химическая энергия системы уменьшается, а тепловая — увеличивается. Если рассматривать этот процесс с точки зрения химической энергии, то изменения в энергетическом содержании покажутся отрицательными, а если с точки зрения тепловой — то положительными. Количество энергии, естественно, остается неизменным, независимо от точки зрения, при условии, что в процессе рассмотрения различных реакций сама точка зрения тоже остается неизменной. В течение некоторого периода одни химики расценивали изменения в энергии, при которых отдается тепло, как положительные, а другие — как отрицательные. В результате получалась путаница, и сейчас решено в этом случае использовать всегда отрицательное значение.
Далее, рассмотрим процесс горения водорода. Этот процесс можно, как я уже говорил, описать двумя способами, каждый из которых будет уравновешенным:
Химиков интересует, как правило, тепло, вырабатываемое при сжигании 1 моля водорода, так что второе выражение, при котором используется 1 моль водорода, является для них предпочтительным. (Для любых же других химических целей, за исключением подсчета теплоты реакции, предпочтительным является первое выражение.)
Итак, идем дальше: данные калориметрических измерений позволяют нам написать
ΔН = -68,37 ккал.
Это то значение теплоты реакции, которое получается, если дать получаемой воде остыть до жидкого состояния, иначе говоря, в нее включается и отдаваемая при остывании латентная теплота парообразования. Если же вода остается в газообразном состоянии, то без латентной теплоты парообразования ΔН становится равной только -57,8 килокалории. Однако такого рода уточнения, как бы важны они ни были для химиков, для нас сейчас не будут представлять особого интереса.
Сравнивая теплоту реакции горения углерода с теплотой реакции горения водорода, мы сравниваем их моль к молю. Один моль горящего углерода отдает почти в два раза меньше тепла, чем 1 моль горящего водорода. Но моль углерода весит 12 граммов, а моль водорода — всего 2 грамма. Если мы будем сравнивать эти вещества грамм к грамму, мы увидим, что 1 грамм углерода при сжигании отдает 94,03/12, то есть 7,8 килокалории, а грамм водорода — 68,37/2, то есть 34,2 килокалории. Соответственно при весовом подходе (который является естественным для всех, кроме химиков) логично сделать вывод, что при сжигании водорода вырабатывается почти в 41/2 раза больше энергии, чем при сжигании углерода. Так что всегда важно знать, что именно предстоит сравнивать.
Уголь представляет собой практически чистый углерод, а водород — он и есть водород. Однако существуют важные виды топлива, молекулы которых содержат более одного вида элементов. В состав молекул различного вида нефтепродуктов — бензина, керосина, дизельного топлива — входят и водород, и углерод. В состав древесины входят молекулы, содержащие и углерод, и водород, и кислород. Такие молекулы, хоть и гораздо более сложны, подчиняются тем же самым законам. Возьмем для примера метан, основную составляющую так называемого «природного газа», используемого в газовых плитах и газовом отоплении. Молекула метана состоит из 1 атома углерода и 4 атомов водорода (СН4). Вот так выглядит выражение, описывающее соединение метана с кислородом:
ΔН — -210,8 ккал.
Как видно из формулы, при этом образуются и углекислота, и вода.
Если оценивать молярно, то метан способен вырабатывать больше тепла, чем и углерод, и водород по отдельности. Однако молекулярный вес метана — 16 складывается из 12 — веса атома углерода и 4 — веса 4 атомов водорода. Соответственно 1 грамм метана выделяет при горении 210,8/16, то есть 13,2 килокалории. Это больше, чем тепло, высвобождаемое при горении 1 грамма углерода, но меньше, чем тепло, высвобождаемое при горении 1 грамма водорода. Собственно, этого и следовало ожидать от вещества, состоящего частично из углерода, частично из водорода.
Пример еще более сложной молекулы — этиловый спирт (известное вещество, присутствующее в пиве, вине и виски и других алкогольных напитках). Его молекула состоит из 2 атомов углерода, 6 атомов водорода и 1 атома кислорода (С2H6O).
Так выглядит выражение для реакции его горения:
ΔН = —327,6 ккал.
Молекулярный вес этилового спирта — 46 (24 — 2 атома углерода, 6 — 6 атомов водорода, 16 — 1 атом кислорода), так что при сгорании 1 грамма этилового спирта высвобождается 3276/46, то есть 7,1 килокалории. Это гораздо меньше, чем при сгорании грамма водорода или метана. Это даже меньше, чем при сгорании 1 грамма углерода. Дело в том, что в молекуле спирта уже имеется 1 атом кислорода, поэтому такую молекулу можно рассматривать, так сказать, как уже частично сгоревшую. Один из 7 атомов кислорода, необходимых для связывания всех имеющихся атомов углерода и водорода в углекислоты и воду, уже присутствует в молекуле.
Участие в реакции кислорода не является обязательным условием выделения при ней тепла (хотя именно реакции такого плана с участием кислорода стали первыми известными человечеству). На самом деле любые химические изменения имеют некоторую теплоту реакции. К примеру, в предыдущей главе уже приводились выражения для реакции формирования хлороводорода из водорода и хлора и хлорида натрия — из натрия и хлора.
ΔН первой из этих реакций 22,6 килокалории (для создания 1 моля хлороводорода из половины моля водорода и половины моля хлора), а второй 98,3 килокалории (для создания 1 моля хлорида натрия из 1 моля натрия и половины моля хлора).
Поделиться книгой: