Як розставляти коефіцієнти в хімічних рівняннях

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Зміст:

Приклад розбору простих реакцій

Головне правило, яким слід керуватися при складанні хімічних рівнянь – принцип збереження енергії речовини, тобто, скільки є атомів кожного хімічного елемента в лівій частині рівняння, стільки повинно бути і в правій частині того ж рівняння. Для прикладу візьмемо хімічну реакцію взаємодії кальцію (Ca) з киснем (O₂). Але для початку пояснимо, чому взагалі кисень (як і деякі інші хімічні елементи) в хімічних рівняннях записується з індексом «2». Справа в тому, що одна молекула кисню має 2 атома, тому його записують як O₂. У свою чергу, наприклад, одна молекула води, що складається з кисню і водню, має всім відому формулу H₂O. Це означає, що кожна молекула води складається з двох атомів водню і одного атома кисню. Зауважте, що на свій розсуд індекси в хімічних рівняннях і формулах міняти не можна, так як вони спочатку повинні бути написані правильно. Тепер повернемося до нашого простого прикладу реакції взаємодії кальцію і кисню. Її можна записати наступним чином: Ca + O₂ → 2CaO Про що говорить цей запис? Про те, що в результаті хімічної реакції взаємодії кальцію з киснем утворюється оксид кальцію, який записаний формулою CaO. Але також зверніть увагу, що в правій частині оксид кальцію ми записали з коефіцієнтом 2 – 2CaO. Це означає, що кожен з двох атомів кисню зчепився зі своїм атомом кальцію, але тоді маємо невідповідність – в правій стороні у нас два атома кальцію, в той час як в лівій тільки лише один. А значить, щоб запис був правильним в лівій частині ми повинні перед кальцієм поставити коефіцієнт 2: 2Ca + O₂ → 2CaO Тепер ми можемо перевірити наше рівняння – з лівого боку у нас два атома кальцію і з правого теж два, а значить між обома частинами можна цілком справедливо поставити знак рівності: 2Ca + O₂ = 2CaO Розберемо ще один простий приклад, з взаємодії кисню і водню як ми знаємо, народжується одна з найцінніших і незвичайних речовин у Всесвіті (і це без перебільшення) – вода, основа життя на нашій планеті. Утворення води можна записати наступним рівнянням: H₂ + O₂ → H₂O Але де ж тут закралася помилка? Давайте розберемо: в лівій частині у нас два атома кисню, а в правій тільки один. Значить перед формулою води необхідно поставити коефіцієнт 2: H₂ + O₂ → 2H₂O Множення 2 молекул води на 2 атома водню дасть нам 4 атома водню з правого боку, але ж з лівого боку атомів водню лише два! Значить перед воднем в рівнянні ми також повинні поставити коефіцієнт 2 і тепер отримаємо правильне хімічне рівняння, де замість стрілочки → можна вже сміливо поставити знак рівності. 2H₂ + O₂ = 2H₂O

Приклад розбору складної реакції

Тепер давайте розберемо те, як проставляти коефіцієнти в більш складних хімічних рівняннях: NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O Перед вами запис так званої реакції нейтралізації – взаємодія кислоти і основи, в результаті якого утворюються солі і вода. Що ж ми маємо тут: з лівого боку у нас один атом натрію (Na), а з правого індекс говорить, що атомів натрію вже стало два. Значить логічно, що хімічну формулу основи гідроксиду натрію NaOH треба помножити на 2. Або іншими словами поставити перед нею коефіцієнт 2: 2NaOH + H₂SO₄ → Na₂SO₄ + H₂O Кількість сірки в сірчаній кислоті (H₂SO₄) і солі сульфаті натрію (Na₂SO₄) у нас однакова, тут все добре, а ось з кількістю кисню та водню знову невідповідність, з лівого боку кисню 6, а з правого 5. Водню з правого боку 4, а з лівого тільки 2, непорядок. Щоб правильно записати це хімічне рівняння треба зрівняти кількість кисню і водню в лівій і правій частині рівняння, на щастя тут зробити це просто, треба перед H₂O поставити коефіцієнт 2. 2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2H₂O Таким чином, кількість всіх хімічних елементів в правій і лівій частині рівняння у нас зрівнялася, а значить, ми неспроста поставили знак рівності. Для закріплення матеріалу розберемо ще один приклад складного рівняння. Ba(OH)₂ + HNO₃ → Ba(NO₃)₂ + H₂O Це рівняння відображає хімічну реакцію гідроксиду барію (Ba(OH)₂) з азотною кислотою (HNO₃) в результаті якої утворюється нітрат барію (Ba(NO₃)₂) і вода. Приклад цей нам цікавий тим, що тут використовуються дужки. Вони означають, що якщо множник стоїть за дужками, то кожен елемент множиться на нього. Почнемо ж розбирати це рівняння, перше, що кидається в очі, невідповідність азоту N, зліва він один, а ось праворуч, якщо брати до уваги дужки, його вже два. Отримаємо наступне: Ba(OH)₂ + 2HNO₃ → Ba(NO₃)₂ + H₂O Тепер у нас зліва стало 4 атома водню, а праворуч тільки 2. Значить, перед формулою води також ставимо коефіцієнт 2. Ba(OH)₂ + 2HNO₃ = Ba(NO₃)₂ + 2H₂O Тепер всі елементи зрівняні, і ми справедливо поставили знак рівності.

Автор: Павло Чайка, головний редактор журналу Пізнавайка

При написанні статті намагався зробити її максимально цікавою, корисною та якісною. Буду вдячний за будь-який зворотний зв’язок та конструктивну критику у вигляді коментарів до статті. Також Ваше побажання/питання/пропозицію можете написати на мою пошту [email protected] або у Фейсбук.

1.1: Вступ до хімії

Хімія є дуже універсальним і динамічно мінливим предметом, який обмежується фіксованим визначенням; можливо, краще думати про хімію більше як про точку зору, яка приділяє основну увагу структурі та властивостям – конкретних видів матерії – і особливо на зміни, які вони зазнають.

Справжнє значення хімії полягає в тому, що вона служить інтерфейсом практично для всіх інших наук, а також до багатьох інших областей людських зусиль. З цієї причини про хімію часто говорять (принаймні хіміки!) бути «центральною наукою». Хімія може бути «центральною» набагато більш особистим способом: маючи солідний фон у хімії, вам буде набагато легше мігрувати в інші галузі, коли ваші інтереси розвиваються.

Дослідження чи навчання не для вас? Хімія настільки глибоко вкорінена в багатьох сферах бізнесу, уряду та управління навколишнім середовищем, що певний досвід у цій темі може бути корисним (і здатний дати вам перевагу кар’єри як член команди, що має спеціальні навички) у таких різноманітних галузях, як розробка продукту, маркетинг, управління, комп’ютер наука, технічне письмо і навіть право.

Так що ж таке хімія?

Пам’ятаєте історію про групу сліпих людей, які зіткнулися зі слоном? Кожен перемістив руки над іншою частиною тіла слона – хоботом, вухом або ногою – і придумав зовсім інший опис звіра. До хімії подібним чином можна підходити по-різному, кожен дає різний, дійсний, і все ж безнадійно неповний погляд на предмет. Таким чином, ми можемо розглядати хімію з різних позицій, починаючи від теоретичної і закінчуючи надзвичайно практичною:

Кип’ятіння його аж до основ

На самому фундаментальному рівні хімію можна організувати за показаними тут лініями.

• Динаміка стосується деталей того перебудови атомів, які відбуваються під час хімічних змін, і які сильно впливають на швидкість, з якою відбуваються зміни.
• Енергетика відноситься до термодинаміки хімічних змін, пов’язаних з поглинанням або виділенням тепла. Цей аспект хімії контролює напрямок, в якому відбуваються зміни, і суміш речовин, які утворюються в результаті.
• Склад і структура визначають речовини, які утворюються через хімічну зміну. Структура конкретно відноситься до відносних розташувань атомів у просторі. Ступінь, в якій може зберігатися дана структура, визначається енергетикою і динамікою.
• Синтез відноситься до утворення нових (і, як правило, більш складних) речовин з більш простих, але в нинішньому контексті ми використовуємо його в більш загальному сенсі для позначення операцій, необхідних для здійснення хімічних змін і виділення бажаних продуктів.

Цей погляд на хімію є досить суворим, який, ймовірно, більше цінується людьми, які вже знають цю тему, ніж ті, хто збирається його вивчити, тому ми будемо використовувати дещо розширену схему для організації фундаментальних понять хімічної науки. Але якщо вам потрібно одне речення «визначення» хімії, це досить добре завершує його:

Хімія – це вивчення речовин; їх властивостей, структури та змін, які вони зазнають.

Мікро-макро: ліс або дерева

Хімія, як і всі природничі науки, починається з безпосереднього спостереження за природою — в даному випадку матерією. Але коли ми розглядаємо матерію навалом, ми бачимо лише «ліс», а не «дерева» – атоми і молекули, з яких складається речовина, – властивості яких в кінцевому підсумку визначають природу і поведінку матерії, на яку ми дивимося. Ця дихотомія між тим, що ми можемо і не можемо безпосередньо побачити, становить два контрастні погляди, які проходять через всю хімію, яку ми називаємо та .

У контексті хімії «мікроскопічний» має на увазі атомні або субатомні рівні, які неможливо побачити безпосередньо (навіть за допомогою мікроскопа!) тоді як «макроскопічний» передбачає речі, які ми можемо знати шляхом прямих спостережень за фізичними властивостями, такими як маса, обсяг тощо Наступна таблиця надає концептуальний огляд хімічної науки відповідно до макроскопічної/мікроскопічної дихотомії, яку ми обговорювали вище. Це, звичайно, лише один із багатьох способів погляду на тему, але ви можете знайти його корисним в організації багатьох фактів та ідей, які ви зіткнетеся у вивченні хімії. Ми організуємо обговорення на цьому уроці за аналогічними напрямками.

царство

макроскопічний вигляд

мікроскопічний вигляд

хімічний склад

Суміш або «чиста речовина»?

У науці необхідно знати, про що ми говоримо, тому перш ніж приступити до розгляду матерії з хімічної точки зору, нам потрібно знати її склад; чи є це єдиною речовиною, або сумішшю? (Ми розберемося в подробицях визначень пізніше, але на даний момент ви, ймовірно, є справедливе розуміння відмінності; подумайте про зразок солі (хлориду натрію) на відміну від розчину солі у воді— суміш солі і води.)

Елементи і сполуки

Щонайменше тисячу років відомо, що деякі речовини можуть бути розбиті нагріванням або хімічною обробкою на «простіші», але завжди є межа; врешті-решт ми отримуємо речовини, відомі як , які не можуть бути зведені до будь-яких простіших форм звичайними хімічними або фізичними засобами . Який наш критерій «простіше»? Найбільш помітним (а значить і макроскопічним) властивістю є вага.

Ідея мінімальної одиниці хімічної ідентичності, яку ми називаємо елементом, розроблена на основі експериментальних спостережень відносних ваг речовин, що беруть участь в хімічних реакціях. Наприклад, з’єднання оксиду ртуті можна розщепити при нагріванні на два інших речовини:

. але два продукти, металева ртуть та диоксиген, не можуть бути розкладені на простіші речовини, тому вони повинні бути елементами.

Елементи і атоми

Визначення елемента, наведене вище, є оперативним; певний результат (або в даному випадку нерезультат!) процедури, яка може призвести до розкладання речовини на легші одиниці орієнтовно помістити цю речовину в одну з категорій: елемент або з’єднання. Оскільки ця операція проводиться на сипучих речовині, поняття елемента також є макроскопічним. , навпаки, є мікроскопічною концепцією, яка в сучасній хімії пов’язує унікальний характер кожного хімічного елемента з фактичною фізичною частинкою.

Ідея атома як найменшої частинки матерії мала свої витоки в грецькій філософії близько 400 до н.е., але з самого початку була суперечливою (і Платон, і Аристотель стверджували, що матерія нескінченно ділиться.) Лише в 1803 році Джон Далтон запропонував раціональну атомну теорію, щоб пояснити факти хімічної комбінації, як вони тоді були відомі, таким чином, першим використав макроскопічні докази для освітлення мікроскопічного світу. Тільки в 1900-х роках атомна теорія стала загальноприйнятою. У 1920-х роках з’явилася можливість вимірювати розміри і маси атомів, а в 1970-х роках були розроблені методики, які виробляли зображення окремих атомів.

Формула і структура

Формула речовини виражає відносну кількість атомів кожного елемента, яке воно містить. Оскільки формулу можна визначити експериментами з об’ємної речовини, це макроскопічне поняття, хоча воно виражається через атоми.

Те, що нам не говорить звичайна хімічна формула, – це порядок з’єднання атомів компонентів, незалежно від того, згруповані вони в дискретні одиниці () або є дво- або тривимірними розширеними структурами, як у випадку з твердими речовинами, такими як звичайна сіль. Мікроскопічним аспектом композиції є , яка дає детальні відносні місця (у дво- або тривимірному просторі) кожного атома в межах мінімальної колекції, необхідної для визначення структури речовини.

Макроскопічні

Мікроскопічні

Молекула води має структуру, показану тут.

Сірка — елемент в її орторомбічній кристалічній формі.

молекула являє собою восьмикутне кільце атомів сірки. Кристал, показаний зліва, складається з впорядкованого масиву цих молекул.

(Ні, вони насправді не рухаються так, хоча вони знаходяться в постійному стані коливального руху.)

Сполуки і молекули

Як ми вказували вище, – це речовина, що містить більше одного елемента. Оскільки поняття елемента є макроскопічним, а розмежування між елементами та сполуками було визнано задовго до того, як було прийнято існування фізичних атомів, поняття з’єднання також повинно бути макроскопічним, яке не робить припущень про природу кінцевого. Таким чином, коли вуглець згорає у присутності кисню, вуглекислий газ продукту може бути показаний за допомогою (макроскопічних) вимірювань ваги, щоб містити обидва вихідних елемента:

10,0 г + 26,7 г = 36,7 г

Однією з важливих характеристик з’єднання є те, що пропорції за вагою кожного елемента в даному з’єднанні постійні. Наприклад, незалежно від того, яка вага вуглекислого газу ми маємо, відсоток вуглецю, який він містить, становить (10,0/36,7) = 0,27, або 27%.

Молекули

– це збірка атомів, що мають фіксований склад, структуру та відмінні, вимірювані властивості.

Комп’ютерна модель молекули нікотину C ₁₀ H ₁₄ N ₂ Рональда Перрі

«Молекула» відноситься до свого роду частинки, і тому є мікроскопічним поняттям. Ще в кінці 19 століття, коли сполуки і їх формули вже давно використовувалися, деякі видатні хіміки сумнівалися в тому, що молекули (або атоми) – це не більше, ніж зручна модель.

Молекули раптово стали реальними в 1905 році, коли Альберт Ейнштейн показав, що броунівський рух, нерегулярні мікроскопічні рухи крихітних пилкових зерен, що плавають у воді, можуть бути безпосередньо пов’язані з зіткненнями з частинками розміром з молекулу.

Нарешті, ми отримуємо, щоб побачити один!

У 2009 році вченим IBM у Швейцарії вдалося візуалізувати реальну молекулу, використовуючи техніку, відому як атомно-силова мікроскопія, в якій атоми тонкого металевого зонда малюються все так трохи над поверхнею іммобілізованої молекули пентацену, охолодженої майже до абсолютного нуля. З метою поліпшення якості зображення на кінець зонда була поміщена молекула чадного газу.

Зображення, вироблене зондом AFM, показано в самому низу. Насправді зображується поверхня електронних хмар молекули, яка складається з шести гексагональних кілець атомів вуглецю з воднем на її периферії. Крихітні шишки, які відповідають цим атомам водню, свідчать про чудову роздільну здатність цього експерименту.

Атомний склад молекули задається її формулою. Таким чином, формули CO, CH ₄ та O ₂ представляють молекули окису вуглецю, метану та диоксиду. Однак той факт, що ми можемо написати формулу для сполуки, не означає існування молекул, що мають такий склад. Гази і більшість рідин складаються з молекул, але багато твердих речовин існують у вигляді розширених решіток атомів або іонів (електрично заряджених атомів або молекул.) Наприклад, не існує такого поняття, як «молекула» звичайної солі, NaCl (див. Нижче).

Плутаєте розмежування між молекулами і сполуками?

Може бути, допоможе наступне:

Структура і властивості

Склад і структура лежать в основі хімії, але вони охоплюють лише дуже малу її частину. Це багато в чому властивості хімічних речовин, які нас цікавлять; саме через них ми відчуваємо і знаходимо застосування речовин, і значна частина хімії як науки присвячена розумінню зв’язку між структурою та властивостями. Для деяких цілей зручно розрізняти хімічні властивості та фізичні властивості, але, як і у більшості побудованих людиною дихотомій, різниця стає більш нечіткою, оскільки людина дивиться уважніше.

Хімічна зміна

визначається макроскопічно як процес, при якому утворюються нові речовини. На мікроскопічній основі його можна розглядати як перерозташування атомів. Дана хімічна зміна зазвичай називається хімічною реакцією і описується хімічним рівнянням, яке має вигляд

У елементарних курсах прийнято розрізняти «хімічні» і «фізичні» зміни, останні зазвичай стосуються змін фізичного стану, таких як плавлення і випаровування. Як і у більшості створених людиною дихотомій, це починає руйнуватися при уважному огляді. Це багато в чому через деяку неоднозначність у тому, що ми розглядаємо як виразну «субстанцію».

Приклад 1: Хлор

Елементарний хлор існує як двоатомна молекула \(\ce\) в газовому, рідкому та твердому станах; основна відмінність між ними полягає в ступені організації. У газі молекули рухаються випадково, тоді як у твердому тілі вони обмежені місцями в тривимірній решітці. У рідині ця тісна організація розслаблена, дозволяючи молекулам ковзати і ковзати навколо один одного.

Оскільки основні молекулярні одиниці залишаються однаковими у всіх трьох станах, процеси плавлення, заморожування, конденсації та випаровування зазвичай розглядаються як фізичні, а не хімічні зміни.

Приклад 2: Хлорид натрію

Тверда сіль складається з нескінченно розширеного 3-вимірного масиву Na + і Cl — іонів (електрично заряджених атомів.)

При нагріванні вище 801° C тверда речовина плавиться з утворенням рідини, що складається з цих самих іонів. Ця рідина кипить при 1430°, утворюючи пар, що складається з дискретних молекул, що мають формулу \(\ce\) .. Оскільки іони в твердому тілі, гідратовані іони в розчині та молекула \(\ce\) дійсно різні хімічні види, тому різниця між фізичними та хімічними змінами стає трохи нечіткою.

Енергетика та рівновага

Ви, напевно, бачили рівняння хімічних реакцій, такі як «загальний», показаний нижче:

Рівняння такого роду не означає, що реагенти A і B повністю зміняться в продукти C і D, хоча в багатьох випадках це буде те, що, як видається, відбувається. Більшість хімічних реакцій протікають до якоїсь проміжної точки, яка дає суміш реагентів і продуктів.

Приклад 3

Наприклад, якщо два гази трихлорид фосфору і хлор змішуються разом при кімнатній температурі, вони будуть об’єднуватися до тих пір, поки приблизно половина з них не перетвориться на пентахлорид фосфору:

При інших температурах ступінь реакції буде меншою або більшою. Результатом, в будь-якому випадку, стане рівноважна суміш реагентів і продуктів.

Найважливіше питання, яке ми можемо задати про будь-яку реакцію – «що таке рівноважний склад»?

• Якщо відповідь «всі продукти і мізерно малі кількості реагентів», то ми говоримо, що реакція може відбутися і що вона «йде до завершення».
• Якщо відповідь «незначна кількість продуктів», то ми говоримо, що реакція не може відбуватися в прямому напрямку, але може статися зворотна реакція.
• Якщо відповідь «значні кількості всіх компонентів» (як реагентів, так і продуктів) присутні в рівноважної суміші, то ми говоримо реакція «оборотна» або «неповна».

Аспект «зміни», який ми розглядаємо тут, – це властивість хімічної реакції, а не якогось одного речовини. Але якщо перестати думати про величезну кількість можливих реакцій між більш ніж 15 мільйонами відомих речовин, то можна помітити, що виміряти і записати рівноважні склади всіляких комбінацій було б нездійсненним завданням.

Одне або два безпосередньо вимірюваних властивості окремих реагентів і продуктів можуть бути об’єднані, щоб дати число, з якого рівноважний склад при будь-якій температурі можна легко розрахувати. Експеримент робити не потрібно!

Це дуже макроскопічний погляд, оскільки властивості, які нам потрібно безпосередньо стосуватися, – це властивості реагентів та продуктів. Аналогічно рівноважний склад – міра ступеня, в якій відбувається реакція, виражається через кількість цих речовин.

Хімічна енергетика

Практично всі хімічні зміни передбачають поглинання або виділення енергії, як правило, у вигляді тепла. Виявляється, ці енергетичні зміни, які є провінцією , служать потужним засобом прогнозування того, чи може протікати дана реакція, і в якій мірі. Більш того, все, що нам потрібно для того, щоб зробити цей прогноз, – це інформація про енергетичні властивості реагентів і продуктів; немає необхідності вивчати саму реакцію. Оскільки це об’ємні властивості речовини, хімічна термодинаміка цілком макроскопічна у своєму світогляді.

Динаміка: Кінетика і механізм

Енергетика хімічних змін, про яку ми говорили відразу вище, відносяться до кінцевого результату хімічної зміни: складу кінцевої реакційної суміші, і кількості виділеного або поглиненого тепла. Динаміка хімічних змін пов’язана з тим, як відбувається реакція:

• Що має статися, щоб почалася реакція (яка молекула потрапляє першою, наскільки важко і з якого напрямку?)
• Чи відбувається реакція в один крок, або задіяні кілька кроків і проміжних структур?

Ці деталі складають те, що хіміки називають реакції. Наприклад, реакція між оксидом азоту та воднем (ідентифікована як чиста реакція внизу зліва), як вважають, відбувається у два етапи, показані тут. Зверніть увагу, що закис азоту, N ₂ O, утворюється на першому етапі і споживається на другому, тому він не відображається в рівнянні чистої реакції. Кажуть, що N ₂ O виступає в якості проміжного продукту в цій реакції. Деякі проміжні продукти – це нестабільні види, часто спотворені або неповні молекули, які не мають самостійного існування; вони відомі як перехідні стани.

Мікроскопічна сторона динаміки розглядає механізми хімічних реакцій. Це стосується опису «удару за ударом» того, що відбувається, коли атоми у реагуючих видах переставляються в конфігурації, які вони мають у продуктах.

Механізм являє собою мікроскопічний аспект хімічних змін. Механізми, на відміну від енергетики, неможливо передбачити з інформації про реагенти і продукти; хімічна теорія ще не просунулася до того моменту, коли ми можемо зробити набагато більше, ніж робити освічені здогадки. Зробити справу ще складніше (або, хімікам, цікавіше! ), одна і та ж реакція часто може протікати за допомогою різних механізмів при різних умовах.

Кінетика

Оскільки ми не можемо безпосередньо спостерігати за молекулами, коли вони реагують, найкраще, що ми зазвичай можемо зробити, – це зробити висновок про механізм реакції з експериментальних даних, особливо той, який стосується швидкості реакції, оскільки на неї впливають концентрації реагентів. Ця повністю експериментальна область хімічної динаміки відома як .

Швидкості реакцій, як їх ще називають, дуже різняться: одні реакції завершуються за мікросекунди, інші можуть зайняти роки; багато хто настільки повільні, що їх швидкість по суті дорівнює нулю. Щоб зробити речі ще цікавішими, немає ніякого зв’язку між швидкістю реакції та «тенденцією реагувати», як це регулюється факторами у верхній половині наведеної діаграми; останню можна точно передбачити за енергетичними даними про речовини (властивості, про які ми згадували на попередньому екрані), але реакція ставки повинні визначатися експериментом.

Каталізатори

Каталізатори можуть вносити різкі зміни в швидкості реакцій, особливо в тих, чия некаталізована швидкість по суті дорівнює нулю. Розглянемо, наприклад, дані про швидкість розкладання перекису водню. Н ₂ О ₂ є побічним продуктом дихання, отруйним для живих клітин, які, як наслідок, сформувалися високоефективний фермент (біологічний каталізатор), який здатний знищувати пероксид так само швидко, як він утворюється. Каталізатори працюють, дозволяючи реакції протікати альтернативним механізмом.

У деяких реакціях навіть світло може виступати каталізатором. Наприклад, газоподібні елементи водень і хлор можуть залишатися змішаними між собою в темряві нескінченно довго без будь-яких ознак реакції, але на сонячному світлі вони поєднуються вибухонебезпечно.

Течії сучасної хімії

У попередньому розділі ми розглянули хімію з концептуальної точки зору. Якщо це можна вважати «макроскопічним» поглядом на хімію, що таке «мікроскопічний» вид? Ймовірно, це було б те, що насправді роблять хіміки. Оскільки ретельне дослідження цього приведе нас до набагато більш детально, ніж ми можемо розмістити тут, ми згадаємо лише деякі з областей, які з’явилися як особливо важливі в сучасній хімії.

Наука про поділ

Дивно велика частина хімії пов’язана з виділенням одного компонента з суміші. Це може відбуватися на будь-якій кількості етапів виробничого процесу, включаючи дуже важливі етапи, пов’язані з видаленням токсичних, одиозних або інших небажаних побічних продуктів з потоку відходів. Але навіть у дослідницькій лабораторії значна кількість зусиль часто приділяється відділенню потрібної речовини від багатьох компонентів реакційної суміші, або на відділення компонента від складної суміші (наприклад, метаболіт наркотиків із зразка сечі), перш ніж вимірювати присутню кількість.

Дистиляція – поділ рідин, що мають різну температуру кипіння. Ця стародавня техніка (вважається, що виникла у арабських алхіміків у 3500 до н.е.), все ще є однією з найбільш широко використовуваних операцій як в лабораторії, так і в промислових процесах, таких як нафтопереробка.

Екстракція розчинником – поділ речовин на основі їх різних розчинностей. Поширений лабораторний інструмент для виділення речовин з рослин і хімічних реакційних сумішей. Практичне застосування включає переробку радіоактивних відходів і без кофеїну кавових зерен. Показана тут сепараторна воронка є найпростішим апаратом для екстракції рідина-рідина; для екстракції твердої рідини зазвичай використовується апарат Сокслета.

Хроматографія – цей надзвичайно універсальний метод залежить від схильності різних видів молекул адсорбуватися (прикріплюватися) до різних поверхонь, коли вони рухаються вздовж «стовпа» адсорбентного матеріалу. Подібно до того, як прогрес людей, що проходять через торговий центр, залежить від того, як довго вони проводять, дивлячись у вікна, які проходять, ті молекули, які сильніше адсорбуються до матеріалу, будуть виходити з колони хроматографії повільніше, ніж молекули, які не так сильно адсорбуються.

Гелевий електрофорез – потужний метод поділу і «зняття відбитків пальців» макромолекул типу нуклеїнових кислот або білків на основі таких фізичних властивостей, як розмір і електричний заряд.

Ідентифікація та аналіз

Що спільного у наступних людей?

• Менеджер заводу приймає рішення про те, чи приймати залізничний цистерну вінілхлориду для виготовлення в пластикову трубу
• Сільськогосподарський хімік, який хоче знати про вітамінний вміст нового овочевого гібрида
• Менеджер міського водоочисного заводу, якому потрібно переконатися, що вміст карбонату у воді підтримується досить високим, щоб запобігти корозії, але досить низьким, щоб запобігти накопиченню накипу

Відповідь полягає в тому, що все залежить від – вимірювань природи або кількості («аналізів») якогось цікавить речовини, іноді при дуже низьких концентраціях. Великий обсяг досліджень присвячений пошуку більш точних і зручних засобів проведення таких вимірювань. Багато з них включають складні інструменти; Серед найбільш широко використовуваних є наступні:

Спектрофотометри, які вивчають способи, якими світло різної довжини хвиль поглинається, випромінюється або змінюється атомними та молекулярними видами.

Мас-спектрометри, які розбивають молекули на фрагменти, які можна охарактеризувати електричними методами.

Прилади (ЯМР-спектрометри), які аналізують дію радіохвиль і магнітних полів на атомні ядра з метою вивчення природи хімічних зв’язків, прикріплених до певного виду атома.

«На початку 1900-х років хімік міг аналізувати близько 200 зразків на рік для основних породоутворюючих елементів. Сьогодні, використовуючи рентгенівську флуоресцентну спектрометрію, два хіміки можуть проводити однотипний аналіз на 7000 зразків на рік».

Матеріали, полімери та нанотехнології

Матеріалознавство намагається пов’язати фізичні властивості та експлуатаційні характеристики інженерних матеріалів з їх основною хімічною структурою з метою розробки вдосконалених матеріалів для різних застосувань.

Полімерна хімія – розробка полімерних («пластичних») матеріалів промислового призначення. З’єднання окремих молекул полімеру поперечними зв’язками (червоними) збільшує міцність матеріалу. При цьому звичайний поліетилен є досить м’яким матеріалом з низькою температурою плавлення, але зшита форма більш жорстка і стійка до нагрівання.

Органічні напівпровідники пропонують ряд потенційних переваг перед звичайними пристроями на основі металоїдів.

Фуллерени, нанотрубки та нанодроти – Фуллерени вперше були ідентифіковані в 1985 році як продукти експериментів, в яких графіт випаровувався за допомогою лазера, роботи для яких Р.Ф. Керл-молодший, Р.Е. Смоллі, і Х. В. Крото розділили Нобелівську премію з хімії 1996 року. Очікується, що дослідження фулерену призведуть до нових матеріалів, мастильних матеріалів, покриттів, каталізаторів, електрооптичних приладів та медичних застосувань.

Хімія нанопристроїв – побудова молекулярно-масштабних збірок для конкретних завдань, таких як обчислення, створення рухів тощо.

Біосенсори і біочипи – поверхні металів і напівпровідників, «прикрашені» біополімерами, можуть служити надзвичайно чутливими детекторами біологічних речовин і інфекційних агентів.

Біохімія та молекулярна біологія

Ця галузь охоплює широкий спектр досліджень, починаючи від фундаментальних досліджень хімії експресії генів та взаємодії ферментів та субстратних взаємодій до дизайну лікарських засобів. Значна частина діяльності в цій галузі спрямована на зусилля у відкритті наркотиків.

Скринінг наркотиків розпочався як в значній мірі розсіює підхід, в якому патоген або лінія ракових клітин була скринінгована проти сотень або тисяч речовини кандидата в надії знайти кілька «призводить», які можуть призвести до корисної терапії. Ця галузь зараз високо автоматизована і зазвичай включає комбінаторну хімію (див. Нижче) в поєднанні з інноваційними методами поділу та аналізу.

Дизайн препарату розглядає взаємодію між ферментами та можливими інгібіторами. Комп’ютерне моделювання є важливим інструментом у цій роботі.

Протеоміка – це величезне поле фокусується на зв’язках між будовою і функцією білків – з яких існує близько 400 000 різних видів у людини. Протеоміка пов’язана з генетикою тим, що послідовності ДНК в генах декодуються в білки, які врешті-решт визначають і регулюють конкретний організм.

[Посилання на зображення наукової статті]

Хімічна геноміка досліджує ланцюжок подій, в яких сигнальні молекули регулюють експресію генів.

Синтез

У найзагальнішому сенсі цим словом називають будь-яку реакцію, яка призводить до утворення тієї чи іншої молекули. Це одночасно одне з найдавніших напрямків хімії і одне з найбільш активно переслідуваних. Деякі з основних ниток

Комбінаторна хімія відноситься до групи значною мірою автоматизованих методів для генерації крихітних кількостей величезної кількості різних молекул («бібліотек»), а потім виділення тих, що мають певні бажані властивості. Хоча це основна методика відкриття наркотиків, вона також має багато інших застосувань.

Зелена хімія – синтетичні методи, які зосереджені на зменшенні або усуненні використання або вивільнення токсичних або не біологічно розкладаються хімічних речовин або побічних продуктів.

Хімія процесів усуває розрив між хімічним синтезом та хімічною інженерією, адаптуючи синтетичні шляхи до ефективних, безпечних та екологічно відповідальних методів для масштабного синтезу.

Вітаємо! Ви тільки що охопили всю хімію, згущені в один швидкий і безболісний урок— найкоротший у світі курс хімії! Так, ми залишили багато деталей, найважливіша з яких займе у вас кілька місяців щасливого відкриття, щоб підібрати. Але якщо мати на увазі глобальну ієрархію складу/структури, властивостей речовин і змін (рівноваги і динаміки), які ми розробили як в макроскопічних, так і в мікроскопічних поглядах, вам буде набагато простіше зібрати деталі, коли ви стикаєтеся з ними і побачити, де вони вписуються в більша картина.