Reakcje. Prywatne życie atomów - ebook

PRZEDMOWA

Sercem chemii są reakcje. Gdy chemicy wstrząsają, mieszają i podgrzewają różne płyny, to w tym samym momencie powodują, że atomy tworzą nowe związki, te zaś stanowią formy materii, która być może nigdy wcześniej nie istniała we wszechświecie. Ale co się właściwie dzieje? Jaką formę przybiera to oddziaływanie? W jaki sposób, za pomocą laboratoryjnych odpowiedników łopaty i wiadra, pojedyncze, niewidoczne, submikroskopowe atomy są skłaniane do tworzenia nowych połączeń?

Uważa się, że chemia to tajemna dziedzina wiedzy, od której całe populacje wydają się uciekać, i która zdaniem wielu może być zrozumiana tylko przez wtajemniczonych. Uważa się, że chemia jest abstrakcyjna, ponieważ wszystkie jej wyjaśnienia dotyczą ledwie wyobrażalnych atomów. Ale kiedy zaakceptujesz, że atomy są rzeczywiste i wyobrażalne w codziennym życiu, to ujrzysz magię przemian chemicznych.

W tej książce staram się pomóc zrozumieć i zobrazować prywatne życie atomów, w taki sposób, abyście patrząc na przemiany chemiczne – a przemiany chemiczne są wszędzie wokół i wewnątrz nas, począwszy od upadku liścia, trawienia pokarmu, bicia serca, a nawet tworzenia myśli, nie wspominając już o wielkich procesach przemysłowych, które tworzą współczesny świat – mogli sobie wyobrazić, co się dzieje na poziomie molekularnym. W kolejnych częściach zachęcam do wyobrażenia sobie, zestawu podstawowych narzędzi, który pozwoli na zobrazowanie zjawiska oddzielenia atomu od swojego partnera i skłonienia go do przyłączenia się do innego. Pamiętając, o tych podstawowych narzędziach, pomogę zbudować warsztat, w którym możliwe będzie tworzenie narzędzi i wykorzystywanie ich w różnych projektach. Na zakończenie chciałbym w zarysie i bez szczegółów przedstawić, w jaki sposób warsztaty te są wykorzystywane do realizacji dużych projektów budowlanych.

Zilustrowanie atomów i cząsteczek obarczone jest ryzykiem, jednocześnie prezentacja zmian, którym podlegają, jest jeszcze bardziej utrudniona. W książce użyłem rysunków cząsteczek, a właściwie karykatur, którymi chemicy zwykle się posługują do przedstawienia swoich pomysłów, ponadto próbowałem przedstawić różne dość skomplikowane procesy w prosty i bezpośredni sposób. Szczegółowość i wyrafinowanie, jeśli tego zechcemy, mogą przyjść później z innych źródeł: nie chciałem, żeby na wstępie stanęły na drodze i nie zniechęcały do zrozumienia. Moim celem jest nie tyle pokazanie dokładnie, co się dzieje podczas reakcji, ile zaproponowanie czytelnikom refleksji nad prywatnym życiem atomów w sposób wizualny, pokazanie, że chemia zajmuje się w gruncie rzeczy, materialnymi jednostkami, których właściwości są odpowiednikami cech osobowościowych i które, podobnie jak osobowości ludzkie, prowadzą je do różnych połączeń.

Samodzielnie napisałem i zilustrowałem tekst. Ze względu na rozkład ilustracji na stronie, opracowałem także układ stron. W tym procesie bardzo pomogły mi działy redakcyjny i graficzny moich wydawców, którzy wspierając moje nieco amatorskie, wstępne szkice, dopracowali je do obecnej wersji. Jestem im bardzo wdzięczny; przeszedłszy przez cały proces konstruowania książki, z wyjątkiem jej druku, mogę jeszcze bardziej docenić ich umiejętności.

PWA

Marzec 2011;

Międzynarodowy rok chemiiI
PODSTAWOWE NARZĘDZIA

Wtej części przedstawiam Ci młotki, klucze i dłuta chemii. Poznasz tu podstawowe typy reakcji chemicznych, które leżą u podstaw wszystkich otaczających nas procesów, w tym: procesów przemysłowych, procesów życia i śmierci oraz procesów, które chemicy starają się wywołać w swoich bulgoczących kolbach. Są to wszystkie podstawowe narzędzia używane do wytwarzania różnych rodzajów materii.

Różnica między prawdziwymi narzędziami, a narzędziami chemika polega na tym, że te ostatnie są znakomicie dopracowane, ponieważ muszą przenosić atomy. W celu stworzenia nowej formy materii, być może takiej, która nie istnieje nigdzie indziej we wszechświecie lub żeby po prostu zaspokoić aktualne potrzeby, chemik musi być w stanie motywować, prowokować, wabić, zmuszać i nakłaniać poszczególne atomy do opuszczenia swoich obecnych partnerów z jednej substancji i łączenia się z atomami innej substancji. Jednocześnie nowe połączenia muszą być zorganizowane w określony sposób, czasami bardzo skomplikowany. W ten sposób z surowca wyłania się nowa materia.

Oczywiście chemicy nie dokonują tego atomowego podziału i ponownej budowy substancji, atom po atomie, lecz działają w ten sposób, że mieszają, podgrzewają i łączą wielobarwne ciecze, opary i ciała stałe. W obliczu tych wieloetapowych działań niezliczone atomy ich mieszanin reagują jeden po drugim. Wiedza o tym, co się dzieje w skali atomowej, pomoże Ci zrozumieć, co powoduje mieszanie, gotowanie i łączenie substancji. W każdym bądź razie, pokażę Ci, co dzieje się z atomami, w sytuacji, gdy stosuje się powszechnie znane techniki i narzędzia.

W kolejnych częściach, połączę wszystkie te podstawowe narzędzia w metaforyczny warsztat chemiczny, a następnie zabiorę Cię na wyjątkowo piękny plac budowy.UWAGI WSTĘPNE
WODA I PRZYJACIELE

Woda to najwspanialsza ciecz. Nie tylko jest wszechobecna na Ziemi i niezbędna do znanego nam życia, ale ma również niezwykłe właściwości, które na pierwszy rzut oka nie pasują do jej niemal absurdalnie prostego składu chemicznego. Każda cząsteczka wody składa się z jednego atomu tlenu (O) i dwóch atomów wodoru (H), a zatem jej wzór chemiczny, jak prawie wszyscy wiedzą, to H₂O.

Oto jedna dziwna, ale niezwykle ważna anomalna właściwość. Cząsteczka wody jest tylko nieznacznie cięższa od cząsteczki metanu (CH₄; C oznacza atom węgla) i amoniaku (NH₃; N oznacza atom azotu). Podczas gdy metan i amoniak są gazami, woda w temperaturze pokojowej jest cieczą. Woda jest również wyjątkowa pod tym względem, że jej forma stała – lód, ma mniejszą gęstość niż forma ciekła, więc lód unosi się na wodzie. Góry lodowe unoszą się na wodzie; podczas gdy góry stałego metanu i amoniaku, zatonęłyby w swoich morzach w pozaziemskim, obcym świecie, czyniąc tym samym Titanica (ale nie Nautilusa) bardziej bezpiecznym niż w naszym świecie.

Kolejną bardzo ważną cechą jest to, że woda jest doskonałym rozpuszczalnikiem, który może rozpuszczać gazy i wiele ciał stałych. Dzięki temu woda jest popularnym medium w reakcjach chemicznych. Po rozpuszczeniu w niej, cząsteczki substancji rozpuszczonych mogą się swobodnie przemieszczać, spotykać z innymi rozpuszczonymi substancjami i reagować z nimi. W związku z tym, woda będzie miała duże znaczenie w niniejszej książce, a ten akapit jest bardzo ważny do zrozumienia tego, co będzie dalej.

Cząsteczka wody

Trzeba dokładnie poznać budowę cząsteczki H₂O, ponieważ to ona warunkuje wszystkie właściwości wody, które odpowiadają za to, że woda jest tak cudowna, lub bardziej prozaicznie, tak użyteczna. Cząsteczka wody zwykle przedstawiana jest jak 1, gdzie czerwona kula oznacza atom O, a jasnoszare kule reprezentują atomy H. Rzeczywiste molekuły nie są zabarwione i nie składają się z dyskretnych kul; 2 może być lepszym odwzorowaniem, choć niesie ze sobą mniej informacji. Ta ostatnia ilustracja służy jedynie do zwrócenia uwagi na to, jak elektrony poruszają się w obrębie atomów i łączą je ze sobą.

Każdy atom składa się z maleńkiego, dodatnio naładowanego jądra, otoczonego chmurą ujemnie naładowanych elektronów. Atomowe chmury elektronowe łączą się i rozprzestrzeniają w całej cząsteczce, podobnie jak w 2 i są odpowiedzialne za utrzymanie cząsteczki w jej charakterystycznym kształcie. Jednym ze szczegółów, niezwykle istotnym w niniejszej książce, jest to, że wiązanie pomiędzy atomem O i atomem H (określane jako O–H) składa się tylko z dwóch elektronów. Ten dwuelektronowy charakter jest wspólną cechą wszystkich wiązań chemicznych.

Najważniejszą cechą cząsteczki H₂O jest fakt, że chociaż jest ona ogólnie obojętna elektrycznie, ładunek elektryczny nie jest równomiernie rozłożony. Okazuje się, że atom O jest lekko naładowany ujemnie, a atomy H mają niewielki ładunek dodatni, 3. W całej książce, w miejscach, gdzie konieczne było zobrazowanie ładunku elektrycznego, ładunek dodatni przedstawiono kolorem niebieskim, natomiast ładunek ujemny kolorem czerwonym. Należy tu odróżnić te kolorowe przedstawienia od tych, których odnoszą się do oznaczeń atomów różnych pierwiastków, takich jak czerwony dla tlenu i niebieski dla azotu! Niewielki ujemny ładunek atomu O, zwany „ładunkiem cząstkowym”, powstaje w wyniku akumulacji chmury elektronowej na nim. Elektrony są tam przyciągane przez względnie duży ładunek dodatni jądra atomu tlenu. Akumulacja ta odbywa się kosztem atomów wodoru z ich stosunkowo słabo naładowanymi jądrami. W obszarze atomów wodoru chmura elektronowa jest rozrzedzona, a dodatni ładunek jąder atomów wodoru prześwituje przez nią, nadając obu atomom H częściowy ładunek dodatni.

W wyniku przyciągania między przeciwstawnymi ładunkami cząsteczki H₂O (luźne, nie sztywne) mogą przylegać do sąsiednich cząsteczek H₂O, a te z kolei mogą przylegać do innych sąsiadów. Utworzony w ten sposób ruchomy rój cząsteczek tworzy wilgotną ciecz, znaną nam jako „woda”. Takie zachowanie kontrastuje z metanem. Cząsteczka CH₄ 4, ma mniejsze ładunki cząstkowe, ponieważ jądro atomu C jest słabiej naładowane niż jądro atomu O, ponadto ładunek cząstkowy atomu C jest ukryty za otaczającymi go czterema atomami H, 5. W rezultacie cząsteczki CH₄ przylegają do siebie w bardzo niewielkim stopniu, a w temperaturze pokojowej metan jest gazem składającym się ze swobodnie poruszających się, daleko od siebie oddzielonych cząsteczek.

Woda – ciecz i ciało stale

Rozważmy rój cząsteczek, z których składa się woda w stanie ciekłym. Rzut oka na rysunek 1 pokazuje, jaki układ molekularny należy mieć na uwadze, myśląc o czystej cieczy. Wyobraźcie sobie, że jest to tylko jedna klatka filmu: cząsteczki nieustannie się poruszają, zataczają i wiją wokół siebie.

Rys. 1 Woda w stanie ciekłym

Kiedy woda zamarza, ruch ten zostaje stłumiony, a cząsteczki osiadają w dobrze uporządkowanym i w dużej mierze nieruchomym układzie (rys. 2). Każda cząsteczka nadal jest przyciągana przez swoich sąsiadów, w wyniku oddziaływania pomiędzy cząstkowymi ładunkami o przeciwnych znakach. W tym stanie cząsteczki tworzą luźną strukturę przypominającą plaster miodu, w obrębie której wykazują niewielkie drgania, jednocześnie nie poruszając się względem siebie. Proces topnienia jest załamaniem tej struktury, gdyż wraz ze wzrostem temperatury drganie staje się tak silne, że cząsteczki zaczynają przemieszczać się względem swoich sąsiadów, a struktura zapada się. Jako rezultat względnie luźnej struktury molekularnej lodu, w porównaniu do nieuporządkowanej na kształt zapadniętego gruzu struktury, wody w stanie ciekłym, lód ma mniejszą gęstość niż woda, i dlatego może unosić się na powierzchni cieczy.

Rys. 2 Lód

Rozpuszczanie

Zauważmy, że woda jest niezwykle dobrym rozpuszczalnikiem. Tak różne substancje, jak sól i cukier, łatwo się w niej rozpuszczają. Oceany są dużymi złożami rozpuszczonej w wodzie materii, w tym również gazów tworzących atmosferę. Zdolność wody do rozpuszczania wynika również z obecności małych ładunków elektrycznych w obrębie jej cząsteczek.

Aby zrozumieć rolę ładunków elektrycznych w tym kontekście, należy wiedzieć, że substancja taka jak sól kuchenna, chlorek sodu (NaCl), składa się z niezliczonych „jonów” lub naładowanych elektrycznie atomów, ułożonych w ogromną strukturę krystaliczną stabilizowaną dzięki silnemu przyciąganiu przeciwstawnych ładunków (rys. 3). Sól kuchenna jest więc przykładem „związku jonowego”. W tym przypadku każdy jon sodu ma jednostkowy ładunek dodatni (niebieski) oznaczony jako Na+, a każdy jon chlorkowy ma jednostkowy ładunek ujemny (czerwony) oznaczony jako Cl–. Jon sodu powstaje w wyniku utraty pojedynczego elektronu z atomu sodu, a jon chlorkowy (formalnie, jon „chlorku”) powstaje w wyniku przyjęcia tego elektronu przez atom chloru. Kiedy podnosisz ziarenko soli, trzymasz w ręku więcej jonów niż jest gwiazd w widzialnym wszechświecie.

Rys. 3 Stały chlorek sodu

Cząsteczki wody mogą tworzyć „piątą kolumnę” dywersantów pomiędzy jonami, powodując dezintegrację jonowego ciała stałego (rys. 4). Cząstkowy ładunek dodatni zlokalizowany na atomach H może symulować ładunek dodatni jonu sodu, zwłaszcza w obecności kilku cząsteczek wody. Podobnie, cząstkowy ładunek ujemny każdego atomu O z kilku cząsteczek wody może symulować ładunek ujemny jonu chlorkowego i skłonić jon sodu do opuszczenia sąsiadujących jonów chlorkowych. W ten sposób jony sodu i jony chlorkowe dyfundują do otaczającej je wody. Rozpuszczanie to uwodzenie poprzez elektryczne złudzenie.

Rys. 4 Rozpuszczony chlorek sodu

Nie wszystkie jony dają się w ten sposób zwieść przez wodę. W niektórych przypadkach przyciąganie elektryczne między sąsiadującymi jonami jest po prostu zbyt silne, aby mogło być zastąpione względnie słabym oddziaływaniem ładunków cząstkowych molekuł H₂O. Jony pozostają związane, będąc niewzruszonymi na zwodnicze działanie ładunków cząstkowych, a substancja jest nierozpuszczalna. Tak jest, w przypadku chlorku srebra (AgCl, rys. 5; Ag oznacza srebro, argentum), który jest nierozpuszczalnym białym ciałem stałym. Znaczna część naszego krajobrazu jest trwała, ponieważ woda nie może rozpuścić skał. Wszystkie skały są jednak słabo rozpuszczalne, a woda może powodować ich erozję, przekształcając krajobraz w doliny i głębokie wąwozy.

Rys. 5 Stały chlorek srebra

Nie wszystkie związki mają budowę jonową. Woda jest przykładem „związku kowalencyjnego”, w którym jak już wcześniej wspomniano atomy wiążą się ze sobą poprzez zawieszoną nad nimi chmurę elektronów. W dalszej części książki przedstawię dokładniej tzw. „związki organiczne”, które są cząsteczkami związków kowalencyjnych zbudowanych głównie, ale nie wyłącznie, z węgla. Związki organiczne (których nazwa wynika z dawnego i błędnego poglądu, w myśl którego uważano, że są one wytwarzane wyłącznie przez organizmy żywe), zazwyczaj zawierają również wodór, a często też tlen i azot. Przykładem takiego związku jest etanol, zwykły „alkohol”, CH₃CH₂OH, 6. Nawiasem mówiąc, powyższy wzór jest przykładem tego, jak chemicy informują o składzie cząsteczki, nie tylko pokazując, ile atomów danego pierwiastka tworzy cząsteczkę, jak w C₂H₆O, ale także podpowiadając, jak są ze sobą pogrupowane. Spróbuj porównać wzór CH₃CH₂OH ze strukturą cząsteczki, aby zidentyfikować grupę CH₃, grupę CH₂ i grupę OH.

W wodzie rozpuszcza się wiele związków organicznych (na przykład cukier), ale jednocześnie również wiele się nie rozpuszcza (na przykład olej). Różnica wynika w dużej mierze z faktu, że w obecności innych atomów niż C i H cząsteczki mają ładunki cząstkowe, które mogą oddziaływać z wodą. Tak jest chociażby w przypadku cukrów. Na przykład glukozy C₆H₁₂O₆, 7. Jeśli w cząsteczce występują tylko atomy C i H, jak w przypadku olejów węglowodorowych, 8, ładunki cząstkowe są zbyt słabe, aby oddziaływać z wodą.

Ponadto woda jest chemicznie agresywna i może reagować z rozpuszczonymi w niej związkami, niszcząc je. Kucharze wykorzystują tę właściwość, by uwolnić smaki i rozbić ściany komórkowe. Wiele związków organicznych rozpuszcza się w innych, mniej agresywnych chemicznie cieczach organicznych, co powoduje, że wiele reakcji charakterystycznych dla chemii organicznej zachodzi w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak alkohol (rys. 6). Na tym etapie wszystko, co jest potrzebne, to bycie czujnym na wspomniane zjawiska, które szerzej omówię, gdy będzie potrzebne więcej szczegółów.

Rys. 6 Alkohol (etanol)1
REAKCJE STRĄCANIA

STRĄCANIE

Przedstawię teraz jedną z najprostszych reakcji chemicznych: strącanie, czyli wytrącanie z roztworu nowo powstałej substancji stałej, w wyniku zmieszania ze sobą dwóch roztworów. Proces ten jest naprawdę bardzo prosty i muszę przyznać, niezbyt interesujący. Potraktujmy to jednak jako pierwsze spotkanie z powstawaniem innej formy materii z dwóch reagentów wyjściowych; proszę więc o cierpliwość, zwłaszcza że przed nami znacznie ciekawsze procesy. Chciałbym, żeby uznać to jako ćwiczenie rozgrzewające i jednocześnie wizualizację reakcji chemicznych na poziomie molekularnym. Ze względu na to, że w procesie tym niewiele się dzieje, to etapy reakcji są dość łatwe do prześledzenia.

Niewiele trzeba, aby wywołać reakcję strącania. Dwie rozpuszczalne substancje rozpuszcza się w wodzie, następnie jeden roztwór wlewa do drugiego i przy odpowiednim doborze substancji wyjściowych, natychmiast powstaje nierozpuszczalny osad ciała stałego, który sprawia, że roztwór staje się mętny. Na przykład biały osad nierozpuszczalnego chlorku srebra, który wygląda trochę jak zsiadłe mleko, powstaje po wlaniu roztworu chlorku sodu (wspólnej soli) do roztworu azotanu srebra.

Teraz, jak to uczynimy jeszcze nie raz w ramach tego opracowania, wyobraźmy sobie, że kurczymy się do rozmiarów cząsteczek i obserwujemy, co się dzieje, gdy roztwór chlorku sodu jest wlewany do roztworu azotanu srebra. Jak widzieliście już we wstępie, jony Na+ i jony Cl– są skłaniane przez cząsteczki wody do opuszczenia kryształów ciała stałego i przejścia do roztworu (rys. 1.1). Azotan srebra to AgNO₃; Ag oznacza atom srebra występujący jako dodatni jon Ag+; NO₃– jest ujemnie naładowanym „azotanem”, 1. Azotan srebra jest rozpuszczalny, ponieważ ładunek ujemny jonu azotanowego rozproszony jest na wszystkich czterech jego atomach, a nie skoncentrowany na jednym, 2 jak to ma miejsce w przypadku jonu chlorkowego. Z uwagi na rozproszenie ładunku jonu azotanowego i wynikające z niego słabe przyciąganie sąsiednich jonów naładowanych dodatnio, większość azotanów jest rozpuszczalna niezależnie od towarzyszących im jonów dodatnich. W drugim roztworze jony Ag+ i NO₃– rozproszone są pomiędzy cząsteczkami wody, podobnie jak w roztworze chlorku sodu (rys. 1.2).

Rys. 1.1 Roztwór chlorku sodu

Rys. 1.2 Roztwór azotanu srebra

Gdy roztwory mieszają się i jony mogą migrować (rys. 1.3), silne przyciąganie elektryczne pomiędzy przeciwstawnie naładowanymi jonami Ag+ i Cl– łączy je w małe, zlokalizowane bryłki stałe, osad. Dla nas, obserwatorów wielkości molekuł, maleńkie cząstki osadu są jak wielkie skały rozbijające się wokół nas i opadające w roztworze (rys. 1.4). Słabe oddziaływania między jonami Na+, a rozproszonym ładunkiem jonów NO₃– nie są wystarczająco silne, aby je połączyć, więc pozostają w roztworze rozpuszczalnego azotanu sodu.

Rys. 1.3 Mieszanie się roztworów

Rys. 1.4 Strącanie chlorku srebra

Reakcje strącania są tak proste, jak to tylko możliwe w chemii, możemy je nazwać chemicznym odpowiednikiem zamiany współtowarzysza bez moralnego zawahania. Z drugiej strony procesy te mogą być bardzo przydatne. Komercyjne przykłady reakcji wytrącania obejmują wytwarzanie chlorku srebra i jego innych halogenków: bromku srebra oraz jodku srebra do emulsji fotograficznych. Jasnożółty pigment „żółć chromowa” powstaje w wyniku reakcji strącania, w której roztwór azotanu ołowiu (rozpuszczalne białe ciało stałe) miesza się z roztworem chromianu sodu, w wyniku czego wytrąca się nierozpuszczalny żółty chromian ołowiu, pozostawiając azotan sodu w roztworze. Na jednej z ostatnich stron tej książki zobaczysz, jak reakcja strącania może być wykorzystana w syntezie bardzo ważnego leku.