Чому чадний газ CO смертельно небезпечний, а вуглекислий газ CO₂ ми постійно видихаємо? Розбираємося, як один додатковий атом Оксигену змінює будову молекули, хімічні зв’язки та властивості речовини. Пояснюємо валентність, потрійний зв’язок і донорно-акцепторний механізм на простих прикладах.
Давайте подивимось на молекули чадного і вуглекислого газів. Перша складається з одного атома Карбону й одного атома Оксигену. Друга — з одного атома Карбону та двох атомів Оксигену. Різниця — лише один атом. Але перша речовина може спричинити смертельне отруєння, а другу ми постійно видихаємо. Чому ж вони настільки різні? Як додатковий атом Оксигену кардинально змінює властивості газів? Щоб відповісти, почнемо з валентності.
1. Чому Карбон і Оксиген утворюють різні молекули?
Атоми утворюють хімічні зв’язки завдяки своїм електронам. Карбон має чотири валентні електрони, а Оксиген — шість. Обидва атоми можуть утворювати ковалентні зв’язки, спільно використовуючи електронні пари. У більшості своїх сполук Карбон чотиривалентний, а Оксиген двовалентний.
Це означає, що Карбон зазвичай утворює чотири ковалентні зв’язки, а Оксиген — два. При цьому подвійний зв’язок враховують як два, а потрійний — як три. Якщо один атом Карбону з’єднується з двома атомами Оксигену, він може утворити з кожним подвійний зв’язок. Отримуємо:
O=C=O
Це молекула вуглекислого газу CO₂. Карбон утворює чотири зв’язки, а кожен атом Оксигену — два. Усі атоми мають завершені октети: навколо кожного з них є вісім валентних електронів з урахуванням спільних електронних пар.
2. Як утворюється потрійний зв’язок у CO?
Але в хімії далеко не все так однозначно. Молекула чадного газу — цікавий приклад того, чому звичайних правил валентності іноді недостатньо. Карбон має чотири валентні електрони, Оксиген — шість. Разом вони мають десять валентних електронів. Згадаємо правило октету: у багатьох стійких молекулах атоми Карбону й Оксигену мають по вісім електронів навколо себе, враховуючи спільні електронні пари. Як розподілити десять електронів між двома атомами, щоб кожен мав завершений октет?
Одинарного зв’язку недостатньо. Подвійний також не дозволяє обом атомам одночасно виконати правило октету за наявних десяти електронів. А ось потрійний зв’язок дозволяє:
C≡O
Між атомами утворюються три спільні електронні пари. Ще по одній неподіленій парі залишається на кожному атомі. Тепер кожен атом має вісім електронів навколо себе: шість у спільних парах і два у власній неподіленій парі. Але звідки береться третій зв’язок, якщо Оксиген зазвичай двовалентний? Тут починається найцікавіше!
Річ у тім, що атом Оксигену надає для утворення третього зв’язку відразу два власні електрони — готову електронну пару. А Карбон надає можливість цю пару прийняти. Такий спосіб утворення ковалентного зв’язку називають донорно-акцепторним механізмом. Оксиген виступає донором — надає електронну пару, а Карбон виступає акцептором — приймає її.
Але чому електронна пара Оксигену може стати спільною? Тому що ковалентний зв’язок не обов’язково утворюється з двох електронів, які спочатку належали різним атомам. Електронна пара, надана одним атомом, також може брати участь у зв’язуванні обох атомів. Після утворення зв’язку вона стає спільною, і її походження вже не визначає властивостей зв’язку.
Отже, у нашій спрощеній моделі два зв’язки утворюються завдяки електронам обох атомів, а третій — завдяки електронній парі Оксигену. Важливо розуміти, що це модель електронної будови, а не буквальна послідовність утворення молекули. У реальному CO електрони розподілені по молекулярних орбіталях. Усі три зв’язувальні електронні пари беруть участь у формуванні зв’язку між атомами.
Є ще одна цікава особливість. У структурі C≡O Карбон має формальний заряд −1, а Оксиген — +1. Загалом молекула залишається електрично нейтральною. Формальні заряди — це спосіб обліку електронів у структурній формулі, а не справжні заряди окремих йонів. Таким чином, потрійний зв’язок у CO не означає, що Оксиген завжди тривалентний — це особливість електронної будови саме цієї молекули.
3. Чому під час горіння утворюється то CO, то CO₂?
Тепер ми знаємо, що обидві молекули можуть існувати. Але за яких обставин утворюється кожна з них? Візьмемо звичайне вугілля. Якщо Карбон горить за достатньої кількості кисню, основним продуктом повного згоряння є CO₂:
C + O₂ → CO₂
Атом Карбону сполучається з двома атомами Оксигену, й утворюється вуглекислий газ. Але якщо кисню недостатньо, частина Карбону може окиснюватися не повністю. Тоді утворюється чадний газ:
2C + O₂ → 2CO
Чому так відбувається? Кількість доступного кисню, температура та інші умови горіння впливають на те, які реакції відбуваються і які продукти утворюються. CO часто виникає як проміжний продукт горіння. Якщо він зустрічається з достатньою кількістю кисню за відповідної температури, то може окиснюватися далі:
2CO + O₂ → 2CO₂
Але якщо кисню бракує або гази охолоджуються раніше, ніж реакція завершиться, частина CO залишається. Саме тому чадний газ може утворюватися в несправних печах, котлах, автомобільних двигунах та інших пристроях, де відбувається неповне згоряння палива. Отже, валентність та електронна будова пояснюють, які молекули можуть існувати, а умови реакції визначають, які з них утворюватимуться.
4. Чому один атом так сильно змінює властивості?
Порівняймо наші молекули. У CO атом Карбону з’єднаний з одним атомом Оксигену потрійним зв’язком. У CO₂ атом Карбону розташований між двома атомами Оксигену й утворює два подвійні зв’язки. Змінюється не просто кількість атомів. Змінюється вся електронна будова молекули, а разом із нею — здатність взаємодіяти з іншими речовинами.
Наприклад, CO здатний забирати Оксиген із деяких оксидів металів:
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂
У цій реакції чадний газ відновлює ферум(III) оксид до заліза, а сам перетворюється на вуглекислий газ. У CO Карбон має ступінь окиснення +2, а в CO₂ — +4. Тобто CO може окиснюватися далі, тоді як Карбон у CO₂ уже перебуває у своєму найвищому характерному ступені окиснення. Це пояснює, чому чадний газ може виступати відновником, а вуглекислий газ за звичайних умов таких властивостей не виявляє.
Але найважливіша для людини відмінність між цими молекулами проявляється в їхній взаємодії з організмом.
5. Чому CO отруйний, а CO₂ ми видихаємо?
У нашій крові є гемоглобін — білок, який переносить кисень від легень до тканин. У складі гемоглобіну міститься гем із йоном Феруму Fe²⁺. Саме до нього приєднується молекула кисню. Але чадний газ теж здатний приєднуватися до цього йона. Причому CO зв’язується з гемоглобіном приблизно у 200–250 разів сильніше, ніж кисень.
У результаті чадний газ займає місця, призначені для кисню, і перешкоджає його нормальному транспортуванню. Крім того, він ускладнює вивільнення кисню, який уже зв’язаний з іншими ділянками гемоглобіну. Виникає кисневе голодування. Особливо чутливими до нестачі кисню є мозок і серце.
Вуглекислий газ поводиться інакше. Через іншу електронну будову CO₂ не зв’язується з гемом так, як це робить CO. Натомість наш організм має механізм його транспортування. Коли CO₂ потрапляє у кров, значна його частина за участю води перетворюється на гідрогенкарбонат-іони:
CO₂ + H₂O ⇄ H₂CO₃ ⇄ H⁺ + HCO₃⁻
У легенях ці перетворення відбуваються у зворотному напрямку. CO₂ знову утворюється й видаляється під час видиху. Звичайно, у великих концентраціях CO₂ також небезпечний. Його надлишок може порушувати кислотно-лужну рівновагу крові та регуляцію дихання. Але це зовсім інший механізм, ніж отруєння чадним газом.
Висновок
CO і CO₂ складаються з тих самих хімічних елементів. Їхні молекули відрізняються лише одним атомом Оксигену. Проте в CO між атомами утворюється потрійний зв’язок, а в CO₂ — два подвійні. Змінюються розподіл електронів, ступінь окиснення Карбону та здатність молекул взаємодіяти з іншими речовинами.
Саме тому CO може міцно зв’язуватися з гемоглобіном і спричиняти отруєння, а CO₂ є нормальним продуктом клітинного дихання.
Хімічні властивості визначаються не лише складом речовини, а й будовою її молекул. Іноді один додатковий атом змінює все.