Хімічна реакція — це процес, під час якого одні речовини перетворюються на інші. Але дуже важливо зрозуміти головне: атоми при цьому не зникають і не виникають нізвідки. Вони лише по-новому з’єднуються між собою. Фактично хімічна реакція — це перебудова зв’язків між атомами.
Молекули можна уявити як конструктор. Під час реакції одні “деталі” від’єднуються одна від одної, а потім збираються у нову конструкцію. Самі атоми залишаються тими ж, але змінюється те, як вони пов’язані між собою. А разом із цим змінюються й властивості речовини.
Ми вже розповідали, що за хімічні зв’язки між атомами відповідають електрони, які знаходяться на зовнішньому рівні атомів. Тому будь-яка хімічна реакція — це насамперед перерозподіл електронів і перебудова зв’язків.
Коли атоми вступають у реакцію, старі зв’язки між ними руйнуються, а нові — утворюються. Для руйнування зв’язків потрібна енергія, а під час утворення нових зв’язків енергія може виділятися.
Саме тому деякі реакції супроводжуються теплом, світлом або навіть вибухом. Розглянемо це на конкретних прикладах.
Хімічна реакція водню й кисню — утворення води
До реакції маємо молекули водню H₂ і кисню O₂.
У молекулі H₂ два атоми водню з’єднані між собою спільною парою електронів.
У молекулі O₂ два атоми кисню теж міцно зв’язані між собою.
Під час реакції ці старі зв’язки руйнуються:
- руйнується зв’язок H–H;
- руйнується зв’язок O=O.
Але атоми не залишаються “самотніми”. Вони одразу починають утворювати нові зв’язки: кожен атом кисню з’єднується з двома атомами водню; утворюються нові зв’язки O–H. Саме так виникають молекули води H₂O.
Чому ця реакція супроводжується великим виділенням енергії?
Тому що зв’язки O–H у воді дуже міцні й енергетично вигідні. Під час їх утворення виділяється більше енергії, ніж було витрачено на руйнування старих зв’язків. Саме тому суміш водню й кисню може вибухати. Слід розуміти, що атоми водню й кисню після реакції залишилися тими самими. Змінилася лише їхня “схема з’єднання”.
Горіння деревини
Деревина складається переважно зі складних органічних речовин, у яких багато атомів вуглецю та водню. Під час горіння ці речовини реагують із киснем повітря, при цьому руйнується зв’язок між атомами кисню в молекулі O₂; атом вуглецю починає з’єднуватися з атомами кисню; утворюється молекула вуглекислого газу CO₂.
Але у справжньому горінні все складніше: одночасно руйнуються тисячі різних органічних молекул, а на їх місці утворюються нові речовини — CO₂, H₂O, зола та інші продукти.
Чому горіння дає тепло?
Тому що нові зв’язки між вуглецем і киснем дуже міцні. Під час їх утворення виділяється велика кількість енергії. Фактично полум’я — це енергія, яка вивільняється під час перебудови електронних зв’язків.
Хімічна реакція – іржавіння заліза
Іржа — це теж хімічна реакція, тільки дуже повільна. Залізо реагує з киснем і водою з повітря, при цьому руйнуються зв’язки між атомами кисню в молекулах O₂; атоми заліза поступово віддають частину електронів; кисень приймає ці електрони; між залізом і киснем утворюються нові хімічні зв’язки. У результаті виникає оксид заліза яку ми називаємо іржею.
Чому так сильно змінюються властивості заліза?
Бо металеве залізо й оксид заліза — це вже зовсім різні структури атомів і електронів. У чистому залізі електрони можуть досить вільно рухатися між атомами. Саме тому метал проводить струм, блищить і є міцним. А в іржі електрони вже “закріплені” у нових зв’язках між Fe та O. Через це речовина стає крихкою, пористою й втрачає металеві властивості.
Травлення їжі
Травлення — це величезна система хімічних реакцій усередині нашого організму. У нашому шлунку є соляна кислота HCl, а також ферменти, які допомагають руйнувати великі молекули їжі.
У якості прикладу розглянемо розщеплення крохмалю. Крохмаль — це дуже довгий ланцюг із багатьох молекул глюкози. Під час травлення вода й ферменти поступово розривають зв’язки між цими “ланками”, руйнуючи зв’язки між окремими фрагментами крохмалю; до молекул приєднуються атоми з води; утворюються окремі молекули глюкози, яку клітини вже можуть використовувати для отримання енергії.
Ферменти тут працюють як дуже точні “молекулярні ножиці”. Вони не створюють нові атоми, а лише допомагають швидше перебудовувати зв’язки між уже існуючими атомами.
Чому під час реакцій виникають нові речовини?
Головна причина — зміна структури. Властивості речовини визначаються не лише тим, які атоми входять до її складу, а й тим:
- як атоми розташовані;
- які між ними зв’язки;
- як розподілені електрони.
Навіть однакові атоми можуть утворювати зовсім різні речовини.
Наприклад, графіт і алмаз складаються лише з атомів вуглецю. Але в графіті атоми розташовані шарами, які легко ковзають. Тому графіт м’який і непрозорий. А в алмазі атоми утворюють надзвичайно міцну просторову сітку. Тому алмаз — один із найтвердіших і найпрозоріших мінералів.
Головне у хімії — не лише те, з яких атомів складається речовина, більш важливо, як саме ці атоми з’єднані.
Отже, хімічна реакція — це процес, у якому:
- руйнуються старі хімічні зв’язки;
- електрони перерозподіляються між атомами;
- утворюються нові зв’язки;
- виникають нові речовини з новими властивостями.
При цьому самі атоми нікуди не зникають. Вони лише перебудовують свої “зв’язки” з іншими атомами.
Саме завдяки хімічним реакціям існують вогонь, їжа, батарейки, іржа, ліки, рослини, паливо і навіть саме життя.