Energia w chemii i jej wpływ na zjawiska

ZANIM ZACZNIESZ WKUWAĆ CHEMIĘ ...
Otaczający nas świat jest trójwymiarowy – także zjawiska chemiczne przebiegają w trzech wymiarach,
my zaś poznajemy je zazwyczaj za pomocą symboli na dwuwymiarowej płaszczyźnie. Owa dwuwymiarowość nauczanej chemii, wraz z symbolicznym przedstawianiem atomów i cząsteczek – co w żadnej
mierze nie odzwierciedla nawet części całej złożoności procesów chemicznych – często jest przyczyną
kłopotów w nauce.
Takie uproszczone podejście do chemii ma niewątpliwe zalety – w pierwszej chwili pozwala w miarę
szybko i „bezboleśnie” zapoznać się z jej podstawami. Jeśli jednak w porę nie zostaniemy uprzedzeni
i jasno poinformowani, że to tylko uproszczenia, schemat chemii – a nie dokładne odwzorowanie rzeczywistości, to mogą nas te uproszczenia zaprowadzić na manowce. Szczególnie narażeni na to niebezpieczeństwo są ci, co traktują chemię poważnie i wiedzą, że nauczyć się chemii, to znaczy ją zrozumieć. Gdy
wydaje im się, że już coś zaczynają pojmować, pojawiają się nowe fakty, które przeczą wcześniej poznanym zasadom (pozornie – ale tego właśnie nie jesteśmy świadomi!). Budzi to zazwyczaj niechęć do chemii, jako przedmiotu, którego ani zakuć (bo zbyt obszerny) ani zrozumieć!
Co zatem zrobić, aby z jednej strony nie popaść w schematyzm uproszczeń, a z drugiej nie zginąć
w gąszczu szczegółów towarzyszących w rzeczywistości procesom chemicznym? Problem ma stosunkowo proste rozwiązanie, ale nie wiedzieć dlaczego w podręcznikach stosowane raczej rzadko. Polega ono
na umiejętnym dawkowaniu szczegółów – pomijaniu ich przy wyjaśnianiu ogólnych zasad i wprowadzaniu w późniejszym okresie, przy wyjaśnianiu przykładów odstępstw („wyjątków”) od tych reguł. Aby ci,
co chemię pragną zrozumieć a nie „zakuć” mieli szanse na uniknięcie owych pułapek uproszczania,
podajemy kilka podstawowych uwag, których uwzględnienie w procesie uczenia się może znacznie
zmniejszyć prawdopodobieństwo wpadnięcia w sidła nadmiernych uproszczeń.
Energia w chemii i jej wpływ na zjawiska
Na początek uwaga być może najważniejsza – fundamentem chemii są dwa działy: budowa materii
(głównie budowa atomu i cząsteczki ze szczególnym uwzględnieniem elektronów krążących wokół jądra
oraz tworzących wiązania chemiczne w cząsteczce) oraz zmiany energetyczne w procesach chemicznych
(przede wszystkim energia wiązań chemicznych i termodynamika). Jeśli pragniesz poznać chemię, zagadnienia z tych dwóch obszarów wiedzy musisz traktować szczególnie poważnie.
Szczegółowe informacje dotyczące tego obszaru wiedzy poznasz w odpowiednim momencie, nic jednak nie stoi na przeszkodzie, by podstawową zasadę wszelkich przemian materii podać już tu. Na początek wystarczy zapamiętać, że wszelkie przemiany – chemiczne, ale też fizyczne – przebiegają ze zmianą
energii. W przypadku przemian chemicznych, w najkrótszym ujęciu (i uwaga – w dużym uproszczeniu!)
można powiedzieć, że zmienia się ilość energii związana z budową cząsteczek substratów i produktów
(głównie sumaryczna energia wiązań chemicznych tych cząsteczek) oraz energia powiązana ze stopniem
rozproszenia elementów materii w przestrzeni. Wszystkie układy materialne dążą do tego, by uzyskać
najniższą z możliwych w danych warunkach energię i najwyższy z możliwych w danych warunkach
stopień rozproszenia.
Natura „preferuje” procesy, które przebiegają z uwolnieniem energii i jednocześnie powodują
zwiększenie rozproszenia materii – takie procesy przebiegają samorzutnie. Przykładem może być tu
samoistne utlenianie węgla tlenem z powietrza do tlenku węgla(IV) CO2. Natomiast jeśli przebieg reakcji
będzie związany ze wzrostem energii produktów względem substratów, a jednocześnie w tym procesie
rozproszenie materii będzie ulegało zmniejszeniu, to taki proces samorzutnie nie przebiegnie. Najczęściej
jednak mamy do czynienia ze zjawiskami, w których proces zmiany energii i proces rozpraszania materii
są do siebie w opozycji. Wtedy o tym, czy dany proces przebiegnie samorzutnie czy nie, decydować
będzie stosunek sił tych efektów. Woda samorzutnie nie rozpada się na wodór i tlen, choć znacząco rośnie
wówczas rozproszenie materii, bowiem „strata” energetyczna (pierwiastkowy tlen i wodór w sumie mają
znacznie wyższą energię niż woda z której powstają) jest większa niż „zysk” wynikający z rozproszenia
materii w takim procesie. Dość częstym zjawiskiem jest zbliżony do zera bilans owych „zysków” i „strat”
– dochodzi wówczas do ustalenia się stanu równowagi. Taką sytuację mamy na przykład w przypadku
dysocjacji słabych elektrolitów. Początkowo reakcja biegnie w kierunku rozpadu cząsteczek na jony
(rośnie rozproszenie), ale ten „zysk” zostaje szybko zniwelowany przez „straty” wynikające z tego,
że suma energii jonów jest większa niż energia cząsteczek, z których powstały te jony. W konsekwencji
dochodzi w pewnym momencie do stanu, w którym „zysk” z rozpadu jednej cząsteczki na jony jest równy
„stracie” wynikłej ze wzrostu energii jonów powstających z rozpadu tej cząsteczki. Powstaje stan dynamicznej równowagi – każdy akt rozpadu cząsteczki na jony jest równoważony energetycznie równolegle
biegnącą reakcją połączenia innych jonów w niezdysocjowaną cząsteczkę.
Przestrzenna budowa cząsteczek, proporcje atomów
Nasza szkolna chemia, to przede wszystkim symboliczne wzory i równania reakcji chemicznych. Mało
który nauczyciel zwraca na co dzień uwagę na to, że atomy różnych pierwiastków różnią się wielkością
średnicy nawet kilkakrotnie (np. średnica atomu baru Ba jest około sześciokrotnie większa od średnicy
atomu wodoru) a cząsteczki mają trójwymiarową strukturę, co nabiera szczególnego znaczenia w przypadku reakcji organicznych.
„Przestrzenne” wzory (z zachowaniem proporcji) cząsteczek:
wody H2O, wodorotlenku sodu NaOH, wodorotlenku baru Ba(OH)2 i wodorotlenku magnezu Mg(OH)2
O trójwymiarowości wspomina się zazwyczaj tylko przy omawianiu orbitali (cząsteczki liniowe, tetraedryczne, płaskie …) i potem najczęściej dopiero przy stereoizomerii, a więc wtedy gdy zazwyczaj już się
w naszej podświadomości utrwaliło, że cząsteczka nie ma kształtu, wymiarów, ot … to taki nieokreślony
twór, zapisywany za pomocą mniej czy bardziej złożonych wzorów. Kiedy więc zostajemy postawieni
przed problemem, w którym przestrzenny kształt cząsteczki ma podstawowe znaczenie i decyduje o właściwościach substancji i przebiegu reakcji, najczęściej konstatujemy ze smutkiem, że problem nas przerasta.
Różne sposoby symbolicznego przedstawiania trójwymiarowej cząsteczki glukozy na płaszczyźnie
Ucząc się chemii, pamiętajmy zawsze o tej trójwymiarowości (nie tylko przy izomerii optycznej)
i o proporcjach w rozmiarach atomów i cząsteczek, bo to często klucz do zrozumienia skąd się biorą takie
czy inne właściwości chemiczne i fizyczne substancji i czemu tak a nie inaczej przebiegają reakcje z jej
udziałem. Rozważmy także, jak połączone są atomy poszczególnych pierwiastków w cząsteczce – które
sąsiadują bezpośrednio z którymi, bo od tego zależy wiele właściwości cząsteczki, a wzory sumaryczne
praktycznie nic o tym nie mówią (gorzej, bo często nawet wprowadzają w błąd: np. H2SO4 sugeruje
połączenie bezpośrednie atomów wodoru z siarką a nic nie mówi o połączeniu wodoru z tlenem), zaś
wzory tzw. strukturalne też najczęściej nie dostarczają pełnej informacji na ten temat.
Budowa cząsteczki kwasu siarkowego(VI) - H2SO4
Reakcja elementarna i proces chemicznych
Kolejnym problemem jawi się rozróżnienie między reakcją elementarną a procesem chemicznym, czyli
całym ciągiem kolejnych reakcji, który prowadzi od substratów do zapisanych w równaniu produktów.
Najczęściej spotykany zapis reakcji, wyrażony schematycznie: A + B → C jesteśmy skłonni rozumieć, jako zapis procesu jednostkowego, elementarnego i odczytywać go jako zapis mówiący, że substrat
A reagując z B daje w wyniku bezpośrednio produkt C. W jakimś procencie przypadków (szczególnie
jeśli chodzi o reakcje jonowe) jest to prawda, jednak w przeważającej większości reakcje przebiegają
przez różne stadia pośrednie, powstają różne nietrwałe produkty, które reagując dalej doprowadzają do
produktów zapisanych w równaniu. Tak więc „prawdziwy” zapis reakcji powinien wyglądać jakoś tak:
A + B → [ K → ⋯ → N ]→ C
Dla praktycznego podejścia do tego procesu pierwszy zapis jest wystarczający – mówi nam, że jeśli
w naczyniu reakcyjnym znajdą się substancje A i B, to po zapewnieniu odpowiednich warunków reakcji
po pewnym czasie będziemy mieli w nim substancję C. Jeśli jednak z jakichś powodów zastanawia nas,
dlaczego powstaje C a nie np. D, to drugi zapis będzie konieczny dla wyjaśnienia problemu.
Ogólny mechanizm reakcji chemicznych organicznych i jonowych
Swego rodzaju konsekwencją traktowania zapisu symbolicznego reakcji jako rzeczywistości jest podświadome przekonanie, że reakcje przebiegają pomiędzy całymi cząsteczkami a do ich zajścia wystarczy
spotkanie dwóch cząsteczek. Jeśli chcemy zrozumieć chemię, reakcje chemiczne, od początku
powinniśmy zdawać sobie sprawę, że nawet elementarna reakcja przebiega nie natychmiastowo, lecz
w pewnym czasie, w którym w obrębie reagujących cząsteczek zachodzi wiele fizycznych
(fizykochemicznych) procesów, doprowadzających w konsekwencji do zmian chemicznych (połączeń
międzyatomowych) i wytworzenia z cząsteczek substratów cząsteczek produktów. Zmiany te,
w zależności od tego, czy mamy do czynienia z procesem jonowym (roztwory elektrolitów) czy „organicznym” (wiązania atomowe) przebiegają w nieco innym trybie.
W najprostszym ujęciu różnica polega na tym, że w przypadku reakcji między jonami substraty
„przyciągają się” nawzajem polem elektrostatycznym (wszak są to jony o przeciwnych ładunkach), co
bardzo przyspiesza powstawanie podstawowej sytuacji, w której może nastąpić reakcja – spotkania reagujących ze sobą substratów (tu jonów o przeciwnych znakach). Także energetyczny aspekt reakcji jonowych sprzyja ich zajściu, bowiem w procesach „pękania” (dysocjacja) i tworzenia nowych wiązań jonowych zazwyczaj wymianie ulegają niewielkie (w stosunku do reakcji „organicznych”) ilości energii. Stąd
reakcje jonowe przebiegają zazwyczaj „natychmiast”, gdy w przypadku „organicznych” trwa to czasami
całe godziny.
W przypadku związków „organicznych” ogólny schemat przebiegu reakcji elementarnej jest następujący:
− w przestrzeni reakcyjnej muszą spotkać się reagujące ze sobą cząsteczki (np. w reakcji otrzymywania estru metylowego kwasu octowego – cząsteczka alkoholu metylowego CH3OH i cząsteczka
kwasu octowego CH3COOH):
Symboliczny zapis równania reakcji powstawania estru metylowego kwasu octowego
− nie każde spotkanie będzie skutkowało reakcją – w bliskości muszą znaleźć się reagujące grupy
(w naszym przykładzie alkoholowa –OH i karboksylowa –COOH; rysunek poniżej),
spotkanie np. grupami CH3 do reakcji nie doprowadzi:
− w zależności od lokalnych ładunków w cząsteczce (polarności wiązań ulegających przekształceniu
w reakcji) grupy reaktywne będą się „odnajdywały” w przestrzeni łatwiej lub trudniej (analogia do
jonów), co wpływa na szybkość reakcji;
− reagujące ze sobą cząsteczki substratów muszą posiadać w sumie energię znacznie przekraczająca
średnią energię substratów czy produktów (tzw. energię aktywacji); w procesie przechodzenia od
substratów do produktów powstaje tzw. kompleks aktywny (nietrwała, pośrednia forma między
substratem a produktem, charakteryzująca się energią równą tzw. energii aktywacji), który może
przekształcić się w cząsteczkę produktu (ale nie musi);
Każde z tych zdarzeń zachodzi z określonym prawdopodobieństwem, a prawdopodobieństwo zajścia reakcji (przekształcenia się substratów w produkty) zależy od iloczynu tych prawdopodobieństw i przyjmuje zazwyczaj wartość dość niewielką, co ma bezpośrednie przełożenie na szybkość danej reakcji. Warto
w tym miejscu wspomnieć, że nasze działania mające wpłynąć na przebieg reakcji (kataliza, zastosowane
stężenia, temperatura prowadzenia reakcji itp.) to mniej lub bardziej bezpośrednia ingerencja w jedno lub
kilka wymienionych wyżej zdarzeń, zmieniająca prawdopodobieństwo jego zajścia, a tym samym wpływająca na szybkości danej reakcji.
Środowisko reakcji i parametry fizyczne procesu
Równanie reakcji chemicznej, szczególnie takie mocno uproszczone, typu:
A + B → C
nic lub bardzo niewiele mówi o rzeczywistości. Nie wiemy w jakiej postaci występują reagenty, jakie jest
środowisko tej reakcji, czy zastosowano podwyższoną temperaturę bądź ciśnienie, czy zastosowano jakiś
katalizator itp. Nic też nie wiemy o mechanizmie tej przemiany. Wiemy tylko, że potrzeba substancji A
i substancji B by móc ewentualnie otrzymać substancję C. Czyli tak naprawdę o chemizmie tego zjawiska
nie wiemy nic – i to ma być chemia? Z drugiej strony, gdybyśmy chcieli w symbolicznym zapisie równania reakcji zawrzeć wszystkie istotne dla jej przebiegu informacje, zapis stałby się prawdopodobnie całkowicie nieczytelny. Musimy więc iść na kompromis – starać się zapisać reakcję tak, by podać jak najwięcej
informacji, ale wyselekcjonować tylko te informacje, które w danym przypadku są niezbędne dla jednoznacznego jej opisu. Także odczytując równanie reakcji chemicznej musimy pamiętać, że mamy tam zapisaną tylko część informacji o interesującym nas procesie, a inne dane na jego temat musimy uzyskać
z innych źródeł.
Przykładowo weźmy popularną reakcję wytrącania chlorku srebra. Najprostsze z możliwych równanie
tego procesu oddaje istotę reakcji, nic jednak nie mówi o jej okolicznościach:
Ag+ + Cl− → AgCl↓
Komuś, kto nie zna zbyt dobrze realiów chemicznej pracy, możemy tę reakcję zapisać tak:
AgNO3 + KCl → AgCl↓ + KNO3
Teraz młody chemik już wie, że musi poszukać naczynia z azotanem srebra i chlorkiem potasu, bowiem te dwie
substancje będą mu potrzebne do przeprowadzenia reakcji. Jeśli jednak znalazł obie te substancje w postaci krystalicznej i zmieszał je w próbówce, to będzie zawiedziony, bowiem żadnej reakcji nie zaobserwuje. Dla skutecznego
przekazania informacji o praktycznej stronie reakcji będzie potrzebny opis słowny tzw. pre paratyka. Tam, niczym
w przepisie kulinarnym, podamy kolejne kroki potrzebne dla skutecznego przeprowadzenia reakcji i zakończymy
zapisem symbolicznym:
Ag+ + NO3− + K+ + Cl− → AgCl↓ + K+ + NO3−
Przykładów na zapisy reakcji w zasadzie poprawne, ale mogące wprowadzać w błąd niedoświadczonego chemika
można mnożyć w setki. Jak wiemy, bierze się to z chęci maksymalnego uproszczenia zapisu (dla jego czytelności)
a jednocześnie zawarcia w nim najistotniejszych parametrów procesu – rzecz w tym, że to co dla jednych oczywiste (i nie zostaje podane w równaniu, jako nieistotne), dla innych może być konieczne dla prawidłowego zrozumienia zjawiska. Początkujący są tu na „przegranej pozycji”. A więc nie przyjmujmy każdego zapisu za oczywistość
i całą prawdę – zastanawiajmy się, analizujmy każdy zapis i jeśli budzi jakieś wątpliwości, pytajmy bardziej
doświadczonych.
Dla ułatwienia podajemy, jakie czynniki przede wszystkim mogą być istotne dla przebiegu reakcji (ich zmiana
może poprowadzić reakcję nawet w kierunku zupełnie innych produktów):
− rozpuszczalnik (solwatacja reagentów, wpływ na polarność cząsteczki, dysocjacja, …);
− jonowy charakter wiązań;
− polaryzacja cząsteczki (elektroujemności pierwiastków, dipole cząsteczkowe, lokalne ładunki, ...);
− temperatura i energetyczne aspekty procesu;
− katalizatory;
− stan skupienia reagentów;
− oddziaływania międzycząsteczkowe (szczególnie możliwość tworzenia wiązania wodorowego);
− stężenia i ciśnienia substratów;
− odwracalny charakter przemiany;
„Szufladkowanie”
To może najmniej istotne utrudnienie rozumnej nauki chemii, lecz warto zdawać sobie sprawę z zagrożeń,
które niesie. Ponieważ poznawany przez nas świat do prostych nie należy – dzielenie, klasyfikowanie,
etykietowanie należy do ulubionych działań homo sapiens. Ma to pomóc w ogarnięciu nieogarnionej całości – i najczęściej pomaga, ale do czasu. Kiedy już posegregujemy, na przykład naszych znajomych i sąsiadów na brunetów, blondynów i rudych, pojawia się farbowana na rudo blondynka, łysy brunet i kolorowy szatyn, i cały nasz poszufladkowany świat przestaje mieścić się w szufladkach. A mówiąc nieco
poważniej, posegregowanie faktów w początkowym okresie zdobywania wiedzy jest dla większości zbawienne, pozwala szybko dostrzec jakiś logiczny ład i porządek oraz zdobyć przekonanie, że ogrom wiedzy nas nie przerasta. Kłopoty zaczynają się później, kiedy przekonujemy się, że to co uważaliśmy za całą
wiedzę to tylko niewielki jej skrawek, a Ziemia jest nieco większa niż horyzont naszych oczu. Zaczynają
się pojawiać fakty, które nie dają się jednoznacznie zaszufladkować w obrębie znanych nam szufladek,
a te które już zaszufladkowaliśmy, w świetle nowej wiedzy zaczynają do swoich szufladek nie pasować.
W chemii wszelkie te podziały: na kwasy i zasady (co najmniej trzy różne!), sole, elektrolity słabe i mocne, pięć sposobów otrzymywania soli, związki nieorganiczne i organiczne, typy wiązań chemicznych
i wiele, wiele innych, to działania wprowadzające ład w początkowym okresie nauki. Pamiętajmy jednak,
że niewolnicze trzymanie się tych schematów w późniejszym czasie zaprowadzi nas na manowce. Zdobywając coraz więcej wiedzy widzimy, że prawie żadna cecha nie jest trwała, raz na zawsze przypisana do
jakiegoś elementu – często zmienia się mniej lub bardziej pod wpływem otoczenia i ta sama substancja
w różnych warunkach będzie miała różne wartości danej cechy. Jak mówi znane powiedzenie – poetą się
nie jest, poetą się bywa …
Pytanie o reakcję
Na koniec coś, co dość luźno wiąże się z omówionymi uprzednio problemami, ale też należy do spraw,
które sprawiają trochę kłopotu. Chodzi o pytania – zadawane tak przez uczących się jak i pojawiające się
na klasówkach i w zadaniach, a dotyczące możliwości przebiegu jakichś reakcji, pytania typu „czy A
reaguje z B”, „czy możliwa jest reakcja ….”, „czy zachodzi reakcja ...” itp. itd. Pytania pozornie
sensowne, ale prostych i jednoznacznych odpowiedzi na nie nie ma! Po pierwsze, określenie „reakcja
zachodzi”, „reakcja przebiega” czy temu podobne, nie są jasno określone co do znaczenia. Czy jeśli jedna
cząsteczka z mola przereaguje, to już znaczy, że reakcja zachodzi, czy dopiero, jeśli będzie to jakaś inna,
określona wartość? Czyli na takie pytanie należy odpowiedzieć pytaniem – „a co autor ma na myśli,
mówiąc o zachodzeniu reakcji?”.
Drugi problem związany z pytaniami tego typu, to zazwyczaj brak określenia warunków, których
dotyczy pytanie. Na przykład na pytanie „czy węgiel reaguje z wodą” większość pytanych odpowie,
że nie – wszak nawet składuje się czasem węgiel pod wodą, by zapobiec jego utlenianiu tlenem
z powietrza. Podobnie na pytanie o reakcję między azotem i tlenem większość odpowie – nie, bo gdyby
taka reakcja zachodziła, oddychalibyśmy nie powietrzem (mieszanina azotu i tlenu) a tlenkami azotu (toksycznymi dla człowieka). W jednym i drugim przypadku (i w wielu innych) odpowiadający (a zapewne
i pytający) podświadomie przyjęli warunki reakcji zbliżone do standardowych, popularnie zwanych
pokojowymi. Przy takim założeniu mają racje, ale gdyby dobrać bardziej drastyczne warunki tych reakcji,
to ich odpowiedź staje się błędną. Azot reaguje z tlenem pod wpływem wyładowań elektrycznych
(np. podczas wyładowań atmosferycznych w czasie burzy) a węgiel reaguje z wodą w wysokich
temperaturach. Jest to reakcja stosowana w przemyśle do dziś, a niegdyś będąca podstawą otrzymywania
gazu do celów komunalnych w miejskich gazowniach:
C + H2O ——> CO + H2
Tak więc na to pozornie proste pytanie: „czy reaguje ...” odpowiedzią są ... dwa nowe pytania – o jakich
warunkach reakcji mówimy i co autor pytania rozumie przez pojęcie „reaguje”. Bez wyjaśnienia tych
dwóch szczegółów przedmiotowe pytanie nie ma sensownej odpowiedzi.
I tak uzbrojeni w przestrogi, pozwalające skutecznie uniknąć wędrowania po manowcach chemii, możemy
śmiało wyruszyć po złote runo ...