Хімічні реакції навколо нас відбуваються постійно: горить газ на плиті, іржавіє метал, печеться хліб, дихає людина. Але як хіміки записують усі ці процеси? Для цього існують хімічні формули і рівняння. На перший погляд вони можуть виглядати як набір дивних символів і цифр. Але насправді це просто дуже короткий і зручний спосіб описати те, що відбувається між атомами.
Реакція утворення води
Наприклад, подивімося на реакцію утворення води:
Цей запис можна прочитати наступним чином: Дві молекули водню реагують з однією молекулою кисню і утворюють дві молекули води.
Почнемо з формул речовин.
H₂ — це водень. Маленька цифра внизу називається індексом. Вона показує, скільки атомів міститься у молекулі. У H₂ індекс “2” означає, що молекула складається з двох атомів водню.
Так само O₂ — це молекула кисню з двох атомів кисню.
А H₂O — це вода. Тут два атоми водню й один атом кисню утворили молекулу води.
Саме індекси показують будову молекули. Вони надзвичайно важливі. Якщо змінити індекс — ми отримаємо вже іншу речовину.
Наприклад:
CO — чадний газ, дуже токсичний.
CO₂ — вуглекислий газ, який ми видихаємо.
Тепер подивімося на великі цифри перед формулами. Це коефіцієнти.
У реакції:
цифра 2 перед H₂ означає дві молекули водню.
А 2 перед H₂O — дві молекули води.
Коефіцієнти потрібні для виконання закону збереження маси, про який ми розповідали у попередньому відео. Ми вже знаємо: атоми нікуди не зникають і не виникають із нічого. Тому до реакції і після реакції кількість атомів кожного елемента має бути однаковою.
Формула горіння метану
Але на простих прикладах це не завжди добре видно. Тому розгляньмо трохи складнішу реакцію — горіння метану, основної складової природного газу.
Таку реакцію можна записати наступним чином:
На перший погляд усе нормально. Але якщо порахувати атоми — виникає проблема.
Ліворуч:
— 1 атом Карбону;
— 4 атоми Гідрогену;
— 2 атоми Оксигену.
Праворуч:
— 1 атом Карбону;
— лише 2 атоми Гідрогену;
— 3 атоми Оксигену.
Тобто частина атомів “зникла”, а частина “з’явилася”. Так бути не може.
Тому, за законом збереження маси маємо підібрати коефіцієнти.
Спочатку бачимо, що у лівій частини у молекулі метану CH₄ є 4 атоми Гідрогену, а у правій частині, у молекули води, цих атомів лише 2. Щоб зрівняти кількість атомів водню, перед водою ставимо коефіцієнт 2:
Тепер Гідроген збігся:
— ліворуч 4;
— праворуч теж 4.
Але тепер не сходиться Оксиген.
Ліворуч у нас одна молекула кисню, яка має два атоми оксигену. Праворуч у CO₂ є 2 атоми Оксигену і у двох молекулах H₂O ще 2 атоми Оксигену. Разом — 4.
Щоб урівняти кількість атомів оксигену, ліворуч потрібно перед O₂ поставити коефіцієнт 2:
Тепер формула реакції записана правильно, і ліворуч, і праворуч однакова кількість атомів:
— 1 Карбон;
— 4 Гідрогени;
— 4 Оксигени.
Саме так хіміки “врівноважують” реакції. Вони не змінюють самі формули речовин — бо тоді змінилася б речовина. Вони змінюють лише кількість молекул за допомогою коефіцієнтів.
Хімічні формули: стрілка
Тепер про стрілку.
Символ → означає “перетворюється на” або “утворює”.
Ліворуч від стрілки записують реагенти — речовини, які вступають у реакцію.
Праворуч — продукти реакції, тобто нові речовини, які утворилися.
Наприклад:
Ліворуч — натрій і хлор.
Праворуч — кухонна сіль.
Хімічні формули: агрегатні стани речовин
Ще одна важлива річ — агрегатні стани речовин. Хіміки часто показують, у якому стані перебуває речовина:
(s) — тверда;
(l) — рідина;
(g) — газ;
(aq) — розчин у воді.
Наприклад:
Такий запис формули показує, що водень і кисень — гази, а вода — рідина.
Хімічні формули: умови реакції
Іноді над стрілкою пишуть умови реакції: нагрівання, світло, електричний струм або каталізатор. Це ніби підказка, за яких умов реакція може відбутися.
Наприклад:
Тут вода розкладається на водень і кисень під дією електричного струму.
Використовуючи хімічні формули можна дуже компактним способом показати: які атоми були, як вони перегрупувалися і що утворилося в результаті реакції.
Можна сказати, що кожне рівняння — це маленька історія про те, як атоми зустрічаються, розривають старі зв’язки, створюють нові й будують зовсім інші речовини.
Моль
І виникає нове цікаве питання. У рівняннях ми пишемо “дві молекули”, “три молекули”, “один атом”. Але в реальному житті речовин набагато більше. Навіть у краплі води — неймовірна кількість молекул. Настільки велика, що рахувати їх поштучно просто неможливо.
Тому хіміки придумали особливу “лічильну одиницю” для атомів і молекул — моль, завдяки якому можна зрозуміти, скільки частинок міститься у речовині, як хіміки обчислюють маси у реакціях і чому рівняння насправді дозволяють не лише описувати реакції, а й точно їх розраховувати. ⚛️