1.3: Хімічні рівняння

Цілі навчання

• Опишіть іонний, ковалентний та водневий зв'язок
• Поясніть реакції синтезу, розкладання, обміну та горіння
• Опишіть потік енергії через хімічні реакції

Комбінація і розкладання

Іонний зв'язок, ковалентний зв'язок, водневий зв'язок, молекулярна маса та моль

Коли зовнішній енергетичний рівень атома не повністю заповнений електронами, незаповнені простори або зайві електрони на зовнішньому енергетичному рівні мають вирішальне значення щодо того, чи легше атому отримати або втратити електрони. Найбільш хімічно стабільна конфігурація для будь-якого атома полягає в тому, щоб його зовнішня оболонка електронів була заповнена. Наприклад, атом натрію, Na, має один електрон у своєму зовнішньому енергетичному рівні. Цей рівень заповнюється, коли вісім електронів займають цей простір. З цієї причини атомам натрію легше відмовитися від одного електрона, щоб мати повну зовнішню оболонку. Атом хлору, Cl, має сім електронів у своєму зовнішньому енергетичному рівні. Цей рівень заповнюється, коли вісім електронів займають цей простір. Хлору легше прийняти електрон для того, щоб заповнити рівень електронами. Натрій і хлорид з'єднують з утворенням солі. Натрій віддає один електрон хлору; отже, натрій втрачає електрон, щоб придбати завершений зовнішній рівень енергії, а хлор приймає електрон, щоб мати завершену зовнішню оболонку.

Валентність, або об'єднання ємність, атома - це кількість зайвих або відсутніх електронів у його зовнішній електронній оболонці. Водень має валентність 1 (один незаповнений простір, або один зайвий електрон), кисень має валентність 2 (два зайвих електрона), хлор має валентність 1 (один зайвий електрон), а магній має валентність 2 (два зайвих електрона).

Атоми досягають повного доповнення електронів у своїх зовнішніх енергетичних оболонках шляхом об'єднання, утворюючи молекули, які складаються з атомів одного або декількох елементів. Молекула, яка містить щонайменше два різних види атомів, такі як хлорид натрію (сіль), називається сполукою. У хлориду натрію опущення індекса говорить про те, що є один атом натрію і один атом хлориду. У з'єднанні вода (H2O) індекс 2 вказує на те, що є два атоми водню і відсутність індексу кисню говорить про те, що є один атом кисню. Молекули тримаються разом, оскільки валентні електрони об'єднаних атомів утворюють сили привабливості, звані хімічними зв'язками, між атомними ядрами. З цієї причини валентність також може розглядатися як склеювальна здатність елемента. Оскільки енергія необхідна для утворення хімічних зв'язків, кожен хімічний зв'язок має певну кількість потенційної хімічної енергії.

Атоми утворюють зв'язки одним з двох способів. Вони або отримують, або втрачають електрони зі своєї зовнішньої електронної оболонки, або поділяють зовнішні електрони. Коли атоми отримали або втратили зовнішні електрони, хімічний зв'язок називається іонним зв'язком. Коли зовнішні електрони діляться, зв'язок називається ковалентним зв'язком. Типи зв'язків, які насправді знаходяться в молекулах, варіюються від високоіонних до висококовалентних.

Іонні облігації

Атоми електрично нейтральні, коли кількість позитивних зарядів (протонів) дорівнює числу негативних зарядів (електронів). Коли ізольований атом набирає або втрачає електрони, баланс порушується. Якщо атом отримує електрони, він набуває негативний заряд, оскільки електрони негативно заряджені. Такий негативно або позитивно заряджений атом називається іоном.

Наприклад, натрій (Na) має 11 протонів і 11 електронів, з одним електроном у зовнішній електронній оболонці. Натрій має тенденцію втрачати єдиний зовнішній електрон. Вважається донором електронів. Коли натрій дарує електрон іншому атому, він залишається з 11 протонами і 10 електронами. Натрій заряджений позитивно, і його називають іоном натрію. Вона написана як Na+. Хлор (Cl) має в цілому 17 електронів, 7 з них знаходяться у зовнішній електронній оболонці. Ця зовнішня оболонка може утримувати 8 електронів. З цієї причини хлор має тенденцію підбирати електрон, який був втрачений іншим атомом. Вважається електронним акцептором. Приймаючи електрон, хлор налічує 18 електронів. Але у нього в ядрі всього 17 протонів. Хлоридний іон з цієї причини має заряд -1, і пишеться він як Cl-.

Протилежні заряди іона натрію (Na+) і хлорид-іона (Cl-) притягують один одного. Атракціон, іонний зв'язок, утримує атоми разом, і утворюється молекула кухонної солі. Іонний зв'язок - це тяжіння між іонами протилежного заряду, який утримує їх разом, утворюючи стабільну молекулу. Іонний зв'язок - це тяжіння між атомами, при якому один атом втрачає електрони, а інший атом отримує електрони. Міцні іонні зв'язки мають обмежене значення в живих клітині. Більш слабкі іонні зв'язки, що утворюються у водних (водних) розчині, важливі в біохімічних реакціях в живих організмах.

Атом, зовнішня електронна оболонка якого менше наполовину заповнена, втратить електрони і утворює позитивно заряджені іони, звані катіонами, такими як калій (K +), кальцій (Ca+2) та натрій (Na+). Коли зовнішня оболонка атома заповнена більш ніж наполовину, атом отримає електрон і утворює негативно заряджені іони, звані аніонами, такі як йодидний іон (I-), сульфід (S-2), хлорид (Cl-).

Ковалентні облігації

Ковалентний зв'язок - це хімічний зв'язок, утворений двома атомами, що розділяють одну або кілька пар електронів. Ковалентні зв'язки міцніші і частіше зустрічаються у живих організмів, які є істинними іонними зв'язками. У молекулах водню H ₂ два атома водню поділяють пару електронів. Кожен атом водню має по одному електрону на зовнішній орбіті. Для того щоб мати повноцінну оболонку, необхідний один додатковий електрон. У молекулі водню один атом водню з одним електроном ділить електрон з іншим атомом водню так, що спільна пара електронів фактично обертається ядрами кожного атома. Зовнішні електронні оболонки обох атомів заповнені. Атоми, які поділяють одну пару електронів, утворюють єдину ковалентну зв'язок. Атоми, які поділяють дві пари електронів, утворюють подвійну ковалентну зв'язок, виражену у вигляді двох одиночних ліній (=). Потрійний ковалентний зв'язок виражається у вигляді трьох одиночних ліній, і вона виникає, коли атоми поділяють три пари електронів.

Метан (CH ₄) має ковалентний зв'язок між атомами водню і вуглецю. Зовнішня електронна оболонка атома вуглецю може утримувати вісім електронів, але має лише чотири електрони. Кожен атом водню може утримувати два електрони, але має лише один електрон на зовнішній орбіті. У молекулі метану атом вуглецю отримує чотири електрони водню, щоб завершити свою зовнішню оболонку, і кожен атом водню завершує свою зовнішню оболонку, розділяючи один електрон від атома вуглецю. Кожен зовнішній електрон атома вуглецю обертається навколо вуглецевого ядра і водневого ядра. Кожен електрон водню обертається навколо свого ядра і вуглецевого ядра.

Такі елементи, як водень і вуглець, зовнішні електронні оболонки яких напівзаповнені, легко утворюють ковалентні зв'язки. У живих організмах вуглець майже завжди утворює ковалентні зв'язки. Ковалентні зв'язки утворюються шляхом спільного використання електронів між атомами. Іонні зв'язки утворюються шляхом стирання між атомами, які втратили або отримали електрони і позитивно або негативно заряджені.

водневі зв'язки

Інший тип зв'язку - це водневий зв'язок, де атом водню, ковалентно пов'язаний з одним атомом кисню або азоту, притягується до іншого атома кисню або азоту. Ці зв'язки слабкі і не пов'язують атоми в молекули. Вони служать містками між різними молекулами або між різними частинами однієї і тієї ж молекули.

Коли водень поєднується з атомами кисню або азоту, відносно велике ядро більших атомів кисню або азоту має більше протонів і притягує електрон водню сильніше, ніж мале ядро водню. У молекулі води (H ₂ O) електрони, як правило, ближче до ядра кисню, ніж до ядер водню. В результаті киснева частина молекули має трохи негативний заряд, а воднева частина молекули має трохи позитивний заряд. Коли позитивно заряджений кінець однієї молекули притягується до негативно зарядженого кінця іншої молекули, утворюється водневий зв'язок. Це тяжіння також може відбуватися між воднем та іншими атомами тієї ж молекули, особливо у великих молекулах. Кисень і азот - це елементи, які найчастіше беруть участь у водневому зв'язку.

Водневі зв'язки слабкіше іонних або ковалентних зв'язків. Водневі зв'язки утворюються і розриваються відносно легко. Ця властивість пояснює тимчасовий зв'язок, який відбувається між певними атомами великих і складних молекул, як білки і нуклеїнові кислоти.

Молекулярна маса і родимки

Утворення зв'язків призводить до створення молекул. Молекули обговорюються з точки зору одиниць виміру, які називаються молекулярною масою і молями. Молекулярна маса молекули - це сума атомних ваг атомів, що входять до складу молекули. Для співвіднесення молекулярного рівня з лабораторним рівнем використовується одиниця, яка називається моль.

Один моль речовини - це його молекулярна маса, виражена в грамах так, що один моль води (Н ₂ О) важить 18 грам, оскільки молекулярна маса води становить 18, або...

• H ₂ O: Атомний номер водню (2) дорівнює 1, а кисню (16) дорівнює 16; [(2 x 1, H) + 16, O] = 18

Хімічні реакції

Хімічна енергія виникає всякий раз, коли хімічні зв'язки між атомами утворюються або порушуються під час хімічних реакцій. Хімічна реакція, яка поглинає більше енергії, ніж виділяє, називається ендергонічною реакцією, що означає, що енергія зберігається в хімічних зв'язках, які утворюються як потенційна енергія. Хімічна реакція, ніж вивільняє більше енергії, ніж вона поглинає, називається ексергонічною реакцією, що означає, що енергія вивільняється з хімічних зв'язків, кінетична енергія (хімічні зв'язки порушуються, звільняючи накопичену потенційну енергію).

Реакції синтезу

Коли два або більше атомів, іонів або молекул об'єднуються, утворюючи нові і більші молекули, реакція називається реакцією синтезу. Синтезувати означає скласти воєдино, а реакція синтезу утворює нові зв'язки. Цей процес найчастіше вимагає, щоб в систему додавалася енергія.

• Реакція синтезу: (A, атом, іон або молекула) + (B, атом, іон або молекула) + енергія → (AB, нова молекула)

Поєднуються речовини, А і В називаються реагентами, а речовина, утворена комбінацією, АВ, є продуктом. Стрілкою вказується напрямок, в якому протікає реакція.

Шляхи реакцій синтезу в живих організмах в сукупності називаються анаболічними реакціями, або просто анаболізмом. Поєднання молекул цукру з утворенням крохмалю та амінокислот для утворення білків є прикладами анаболізму. Анаболічні реакції, як правило, вимагають введення енергії. Енергія зберігається в новоутвореному хімічному зв'язку як потенційна енергія (хімічна енергія).

Реакції розкладання

Зворотною реакцією синтезу є реакція розкладання. Розкладатися - значить розпастися на більш дрібні частини, а в реакції розкладання порушуються хімічні зв'язки. Реакції розкладання розщеплюють великі молекули на менші молекули, іони або атоми. Відбувається реакція розкладання:

• (AB, нова молекула) → (A, атом, іон або молекула) + (B, атом, іон або молекула) + енергія

Реакції розкладання, що відбуваються в живих організмах, в сукупності називаються катаболічними реакціями, або катаболізмом. Катаболізм виникає, коли сахароза розщеплюється на більш прості цукру, такі як глюкоза під час травлення. Бактеріальний розкладання нафти - ще один приклад реакцій розкладання. Енергія виділяється з хімічними зв'язками розщеплюються.

Реакції обміну

Хімічні реакції засновані на синтезі і розкладанні. Багато реакцій, таких як обмінні реакції, насправді є частиною синтезу та розкладання частини. Реакція обміну працює:

• (AB, молекула) + (CD, молекула) → (AD, молекула) + (BC, молекула)

Реакції горіння

Реакції горіння - це типи хімічних реакцій, коли сполуки та окислювачі реагують на отримання тепла та нових продуктів. Поширеною реакцією горіння є реакція між киснем і вуглеводнями з отриманням води і вуглекислого газу:

• (Кисень) + (вуглеводень) → (вуглекислий газ) + (вода) + тепло
  • Наприклад:
    • 2Н ₂ + О ₂ → 2Н ₂ О +тепло
    • СН ₄ + 2О ₂ → СО ₂ + 2Н ₂ О +тепло

Також часто реакція горіння виділяє світло і виробляє полум'я. Однак це не обов'язково. Щоб реакція горіння була ініційована, енергія активації реакції повинна бути подолана. Часто реакції горіння запускаються з полум'я, яке забезпечує тепло для ініціювання реакції. Після того, як починається горіння, тепло, яке виробляється, підтримує реакцію, поки не будуть використані реагенти.

Для того, щоб розпізнати реакції горіння, кисень буде знаходитися на стороні реагенту рівняння, а виділення тепла буде на стороні продукту рівняння. Іноді молекула палива містить кисень. Наприклад, спалювання етанолу:

• С ₂ Н ₅ ОН + 3О ₂ → 2СО ₂ + 3Н ₂ О

Горіння - це екзотермічна реакція, завдяки якій вона виділяє тепло. Однак іноді реакція протікає настільки повільно, що зміна температури не помітна. Ознаками того, що відбувається реакція горіння, є присутність кисню в якості реагенту і вуглекислого газу, води, тепла як продуктів. Неорганічна реакція горіння може не утворювати однакових видів продуктів, однак вони впізнавані за реакцією кисню. Найвірніший метод розпізнавання реакції горіння полягає в тому, що продукти містять вуглекислий газ і воду.

Горіння не завжди приступає до доопрацювання або 100-відсоткового ККД. Реакції схильні до обмеження реагентів. Існують два типи реакцій горіння:

• Повне згоряння - відоме як чисте горіння, де окислення реагентів (вуглеводнів) виробляє лише вуглекислий газ та воду. Прикладом є горіння свічкового воску, де тепло від гніту випаровує віск (вуглеводневий). Реакція виникає в результаті кисню в повітрі, так що вуглекислий газ і вода є продуктами. Весь віск горить так, що нічого не залишається після того, як свічка витрачається. Водяна пара і вуглекислий газ розсіюються в атмосферу.
• Неповне згоряння - Неповне згоряння - це окислення вуглеводню, який є неповним або брудним. Продукцією крім вуглекислого газу є чадний газ і вуглець (сажа). Прикладом може служити спалювання вугілля, де сажа і чадний газ є продуктами. Викопні види палива окислюються в повному обсязі, і вони виділяють продукти життєдіяльності.

Потік енергії в хімічних реакціях

Хімічні зв'язки представляють накопичену хімічну енергію, а хімічні реакції в кінцевому підсумку призводять до чистого поглинання або вивільнення енергії. Реакції, що виділяють енергію, називаються ексергонічними реакціями. Ці реакції дають продукти з меншою енергією, ніж початкові реагенти, поряд з енергією, яку можна зібрати для використання. Катаболічні та окислювальні реакції є ексергонічними здебільшого.

Продукти енергопоглинаючих, ендергонічних, реакцій містять потенційну енергію в своїх хімічних зв'язках, яка більше, ніж енергія, яку містили реагенти. Анаболічні реакції - це енергопоглинаючі реакції. Наприклад, енергія, що виділяється при руйнуванні (окисленні) молекул палива, захоплюється в молекулах АТФ і використовується для синтезу складних біологічних молекул, необхідних організму для підтримки життя.

3.5 Фактори, що впливають на швидкість хімічних реакцій

Щоб атоми і молекули реагували, вони повинні зіткнутися з достатньою силою, щоб подолати відштовхування між своїми електронами. Взаємодія між електронами валентної оболонки не може відбуватися на великій відстані. Сила зіткнень залежить від швидкості частинок. Тверді, силові зіткнення між швидко рухомими частинками, при яких валентні оболонки перекриваються, набагато частіше викликають реакцію, ніж зіткнення, при яких частинки пасуться один одного.

Підвищення температури речовини збільшує кінетичну енергію його частинок і силу їх зіткнень. Хімічні реакції протікають швидше при більш високих температурах.

Хімічні реакції прогресують швидше, коли реагуючі частинки присутні у великих кількостях або концентраціях, оскільки ймовірність зіткнень більша. У міру зниження концентрації реагентів реакція сповільнюється. Хімічна рівновага в кінцевому підсумку виникає, якщо не додаються додаткові реагенти або продукти не видаляються з місця реакції.

Менші частинки рухаються швидше, ніж великі частинки, і, як правило, стикаються частіше і сильніше. Чим менше реагують частинки, тим швидше протікає хімічна реакція при заданій температурі і концентрації.

Хімічні реакції в неживих системах можуть бути прискорені нагріванням. Однак різке підвищення температури тіла небезпечно для життя, оскільки важливі біологічні молекули руйнуються. При нормальній температурі тіла більшість хімічних реакцій протікали б у занадто повільному темпі для підтримки життя, якби каталізатори не були присутні. Каталізатори - це речовини, які збільшують швидкість хімічних реакцій, не стаючи хімічно зміненими або частиною продукту. Біологічні каталізатори називаються ферментами.

Переглянути питання

1. Що таке ковалентний зв'язок?
2. Що таке іонний зв'язок?
3. Опишіть водневий зв'язок?
4. Опишіть реакції синтезу, розкладання, обміну та горіння.
5. Поясніть ексергонічні і ендергонічні реакції.

Розділ Вікторина

1. ___________ або комбінована здатність атома - це кількість зайвих або відсутніх електронів у його зовнішній електронній оболонці.
   1. Валенсія
   2. Атомний номер
   3. Обмінний курс
   4. Ядро
2. ___________ - окислення вуглеводню, який є неповним або брудним. Продукцією крім вуглекислого газу є чадний газ і вуглець (сажа).
   1. Повне згоряння
   2. Неповне згоряння
   3. Зменшення
   4. Ендергонічні
3. ___________ - це де атом водню, ковалентно пов'язаний з одним атомом кисню або азоту, притягується до іншого атома кисню або азоту. Ці зв'язки слабкі і не пов'язують атоми в молекули.
   1. Іонне склеювання
   2. Ковалентний зв'язок
   3. водневе зв'язування
   4. Тимчасове склеювання
4. __________ - тяжіння між іонами протилежного заряду, яке утримує їх разом, утворюючи стабільну молекулу.
   1. Іонне склеювання
   2. Ковалентний зв'язок
   3. водневе зв'язування
   4. Тимчасове склеювання
5. ___________ сильніші і частіше зустрічаються у живих організмів, ніж справжні іонні зв'язки. У молекулах водню, H2, два атоми водню поділяють пару електронів.
   1. Іонні зв'язки
   2. ковалентні зв'язки
   3. водневі зв'язки
   4. тимчасові облігації
6. ___________ являють собою накопичену енергію.
   1. Хімічні зв'язки
   2. водневі зв'язки
   3. ковалентні зв'язки
   4. Іонні зв'язки
7. Коли два або більше атомів, іонів або молекул об'єднуються, утворюючи нові і більші молекули, реакція називається ___________.
   1. Реакція розкладання
   2. Реакція обміну
   3. Реакція горіння
   4. Реакція синтезу
8. ___________ - це речовини, що підвищують швидкість хімічних реакцій, не стаючи хімічно зміненими або частиною продукту.
   1. Продукція
   2. Реагенти
   3. Каталізатори
   4. Хімічні зв'язки
9. Для початку реакції горіння необхідно подолати енергію ___________ для реакції.
   1. Кінетичний
   2. Потенціал
   3. Активація
   4. розкладання
10. Реакції, що виділяють енергію, називаються ___________ реакціями.
    1. Ендергонічні
    2. Синтез
    3. Ексергонічні
    4. Заміна