Люди користуються вогнем тисячі років. Але дуже довго ніхто не розумів головного: звідки взагалі береться енергія під час хімічних реакцій? Чому одні речовини можуть виділяти величезну кількість тепла, а інші навпаки — потребують постійного нагрівання? Чому, взагалі, хімічні реакції виділяють енергію?
Сьогодні ми знаємо: усе впирається у хімічні зв’язки.
Хімічний зв’язок — це взаємодія між атомами, яка утримує їх разом у молекулі. Коли атоми зближуються, їхні електрони починають взаємодіяти. Якщо новий стан виявляється більш стабільним, атомам стає “вигідно” залишитися разом — і між ними виникає зв’язок.
Коли утворюється новий хімічний зв’язок, система часто переходить у стан із нижчою енергією. А надлишок енергії виділяється назовні у вигляді тепла, світла або полум’я.
Але якщо зв’язок потрібно розірвати — навпаки, енергію доводиться витрачати. Саме тому одні реакції “гріють”, а інші без постійного підведення енергії просто не відбуваються.
Це трохи схоже на кульку, яка скочується вниз у яму. Поки вона падає — енергія виділяється. А щоб витягнути її назад угору, енергію потрібно затратити.
Реакція утворення води
Особливо добре це видно на прикладі горіння водню, коли водень поєднується із киснем утворюється звичайна вода і виділяється досить багато енергії. Чому так?:
Справа в тому, що під час реакції спочатку потрібно розірвати старі зв’язки.
У двох молекулах водню H–H на це потрібно приблизно:
2 × 436 = 872 кДж на 1 моль
Ще приблизно 498 кДж потрібно, щоб розірвати зв’язок у молекулах кисню O₂.
Тобто загалом на руйнування старих зв’язків ми витрачаємо приблизно:
872 + 498 = 1370 кДж на 1 моль речовини
Після того, як старі зв’язки розірвались, починають утворюватися нові зв’язки між воднем і киснем. У двох молекулах води утворюються чотири нові зв’язки O–H. І кожен із них під час утворення виділяє приблизно 463 кДж енергії на 1 моль.
Отже:
4 × 463 = 1852 кДж
Тобто ми витратили приблизно 1370 кДж, а отримали приблизно 1852 кДж.
Різниця:
1852 − 1370 = 482 кДж на 1 моль
Саме ці 482 кДж і виділяються назовні у вигляді тепла, світла та полум’я.
Чому не утворюються старі зв’язки
Але тут виникає важливе питання: чому після руйнування старих зв’язків атоми не “повертаються назад” і знову не утворюють водень H₂ та кисень O₂? Справа в тому, що система завжди прагне перейти у більш стабільний і енергетично вигідний стан. Після зіткнення атомів водню з киснем утворення зв’язків O–H виявляється “вигіднішим”, бо ці зв’язки міцніші та дають нижчий рівень енергії всієї системи. Фактично атоми ніби “скочуються” у глибшу енергетичну яму, а зайва енергія вивільняється у вигляді тепла й світла. Саме тому після запуску реакції утворення води стає значно вигіднішим, ніж повторне складання окремих молекул водню та кисню.
Тож нові зв’язки між киснем і воднем виявляються настільки міцними й вигідними, що система “повертає” більше енергії, ніж ми витратили на запуск реакції.
До речі, саме на цьому принципі працюють і вибухові речовини.
Вибухові речовини
Люди поступово навчилися створювати сполуки, у яких енергія “захована” у нестабільних хімічних зв’язках. А потім придумали способи дуже швидко вивільняти цю енергію.
Наприклад, під час вибуху тротилу його молекули майже миттєво перебудовуються у більш стабільні речовини:
Під час цього:
— дуже швидко виділяється енергія;
— різко зростає температура;
— утворюється величезна кількість гарячих газів.
Ці гази миттєво розширюються й створюють ударну хвилю — саме її ми сприймаємо як вибух.
Тобто вибухова речовина фактично працює як “пружина”, у якій хімічна енергія була накопичена заздалегідь. А під час реакції ця енергія майже миттєво вивільняється назовні 💥
І тут дуже важливо зрозуміти одну річ.
Енергія хімічних зв’язків
Хімічна енергія у водні, бензині чи вибухівці має одну й ту саму природу — це енергія хімічних зв’язків.
Різниця переважно у тому, наскільки швидко ця енергія вивільняється.
Але найцікавіше те, що реакцію можна “прокрутити назад”.
Із води знову можна отримати водень і кисень:
Проте тепер усе працює навпаки.
Щоб розірвати дуже міцні зв’язки між воднем і киснем у молекулі води, енергію вже потрібно не отримувати, а витрачати.
Саме тому для розкладання води потрібне зовнішнє джерело енергії. Найчастіше для цього використовують електричний струм. Такий процес називається електролізом води.
Через воду пропускають електрику, і вона поступово розкладається:
— на одному електроді виділяється водень;
— на іншому — кисень.
Фактично під час електролізу ми “закачуємо” енергію назад у систему, змушуючи молекули води знову розпастися на водень і кисень.
Тобто водень у певному сенсі можна розглядати як носій енергії.
Спочатку ми витрачаємо енергію, щоб отримати водень із води. А потім можемо знову спалити цей водень і повернути частину енергії назад:
Саме на цьому принципі працюють:
— водневі двигуни;
— паливні елементи;
— багато сучасних технологій зеленої енергетики.
І фактично майже вся енергія нашої цивілізації — це постійне руйнування одних хімічних зв’язків і утворення інших.
Коли горить бензин у двигуні автомобіля — відбувається саме це.
Коли палає дерево — теж.
І навіть наше тіло щосекунди проводить мільйони подібних реакцій. Клітини постійно “спалюють” глюкозу киснем:
Саме ця енергія:
— змушує працювати м’язи;
— підтримує температуру тіла;
— живить мозок;
— дозволяє серцю безперервно скорочуватись.
Тобто людина фактично є величезним хімічним реактором.
Але тут виникає дуже цікаве питання.
Як вчені взагалі зрозуміли, скільки енергії приховано у хімічних зв’язках?
Адже ніхто не може просто “відкрити” молекулу й побачити там запас енергії.