Помоги проекту - поделись книгой:
Довольно сложное математическое выражение, получившее название «статистический закон распределения Максвелла—Больцмана» (рис. 5) в честь разработавших его ученых, позволило подсчитать процентное соотношение молекул любого заданного объема газа, относящихся к группам с различным значением скорости (при условии, что известны температура газа и масса составляющих его молекул). Если изобразить эту формулу в виде графика отношения скорости к процентному соотношению обладающих данной скоростью молекул, то получим плавную кривую, достигающую пика на значении равном «наиболее вероятной» скорости, а затем — так же плавно снижающуюся.
Теперь можно провести прямую связь между температурой и движением молекул газа. В любом газе, при любой температуре скорость отдельных молекул может принимать значения от нуля до крайне высокой. Однако наиболее вероятная скорость оказалась находящейся в прямой пропорции к квадратному корню от абсолютного значения температуры. По мере повышения температуры наиболее вероятная скорость молекул газа увеличивается. Если абсолютная температура возрастает в четыре раза, то наиболее вероятная скорость молекул — в два.
Так что для любого отдельного газа температура является величиной, тесно привязанной к наиболее вероятной скорости молекул. Однако для того, чтобы корректно обобщить это правило для любых газов, надо принять в расчет массу молекул этого газа. При любой заданной температуре, согласно формуле Максвелла—Больцмана, наиболее вероятная скорость обратно пропорциональна квадратному корню этой массы. Чем массивнее молекулы, тем медленнее они движутся. Молекула кислорода в шестнадцать раз массивнее молекулы водорода, поэтому молекула водорода движется в четыре раза (четыре — квадратный корень из шестнадцати) быстрее, чем молекула кислорода при любой заданной температуре.
Но кинетическая энергия, как уже объяснялось в главе 3, равняется произведению половины массы на квадрат скорости, и вкупе со всеми только что приведенными данными мы получаем, что при любой заданной температуре средняя кинетическая энергия молекул всех газов одинакова. Молекулы одного газа могут быть массивнее молекул другого, но тогда они обладают меньшей скоростью; если же их масса меньше, то и скорость их соответственно выше. Так или иначе, произведение массы на квадрат скорости будет во всех случаях одинаково. А поскольку скорость увеличивается пропорционально квадратному корню температуры, то и кинетическая энергия, пропорциональная квадрату скорости, является прямо пропорциональной температуре (см. рис. 5).
То есть можно сказать, что словом «температура» мы называем среднюю кинетическую энергию молекул, из которых состоит газ.
Оказалось, что это отношение справедливо для всех веществ, не только для газов. Точнее, для жидкостей и твердых тел сильно отличаются только условия. Молекулы, составляющие газ, находятся далеко друг от друга и движутся независимо. В жидкостях молекулы находятся в постоянном контакте и могут лишь скользить друг по другу, а в твердых телах — вообще жестко закреплены в общей структуре и даже скользить не могут. Тем не менее молекулы жидкостей начинают скользить друг по другу, а молекулы твердых тел — вибрировать на своих жестко установленных местах с большей энергией по мере возрастания температуры.
Аналогичным образом по мере понижения температуры все вещества теряют энергию, и при абсолютном нуле энергетическое содержание всех веществ сводится к минимуму. Собственно, до последнего времени принято было считать, что этот минимум равен нулю, но современная теория говорит о том, что даже при абсолютном нуле в веществе остается некий неизвлекаемый минимум энергии. Это объясняет, в частности, странные свойства гелия при температурах близких к абсолютному нулю.
Теперь давайте представим, что некий объем горячего газа вошел в соприкосновение с другим объемом холодного газа. Кинетическая энергия молекул горячего газа в среднем выше, чем молекул холодного газа. При столкновении двух молекул из разных объемов, скорее всего, кинетическая энергия «горячей» молекулы будет больше, чем «холодной», несмотря на то что вполне возможны и противоположные сочетания. Если вас смущает последняя оговорка, представьте себе такую аналогию: уровень жизни в США выше, чем уровень жизни, скажем, в Египте, так что наугад выбранный американец с преобладающей вероятностью окажется богаче наугад выбранного египтянина, хотя, конечно, в Египте можно найти людей, которые будут богаче многих американцев.
Точно таким же образом, не исключено, что в результате столкновения «горячая» молекула получит еще больше энергии за счет «холодной» молекулы и станет еще «горячее». (Понятно, почему я взял слова «холодная» и «горячая» в кавычки, — потому что отдельная молекула в принципе не может быть ни холодной, ни горячей, эти понятия применимы только в целом к системам, состоящим из огромного числа молекул.) Однако с большей вероятностью «горячая» молекула энергию потеряет, а «холодная» — получит, и обе останутся с неким усредненным количеством энергии, а значит — и температуры.
При большом количестве столкновений лишь единицы приведут к увеличению разности энергий участвовавших в них молекул, а подавляющее большинство — к уменьшению этой разности. Вероятность того, что при единичном столкновении «горячая» молекула приобретет энергию, а «холодная» — потеряет, мала, но вероятность того, что такая случайность повторится многократно, еще меньше.
Следовательно, в ходе множества случайных столкновений средняя кинетическая энергия молекул, а значит и температура, горячего газа (как и любого другого горячего предмета) уменьшится при контакте с холодным газом (или любым другим холодным предметом), а температура холодного, — наоборот, увеличится. Тепло будет перетекать от горячего предмета к холодному, пока средняя кинетическая энергия всех молекул обоих предметов не приобретет некое общее усредненное значение.
В чем отличия такого представления от старой теории тепла, как нематериального тока? Согласно старой теории, тепло перетекало от объектов с высокой температурой к объектам с низкой, повинуясь второму закону термодинамики, не подразумевающему ни исключений, ни модификаций. Согласно же кинетической теории, поток тепла есть среднестатистический результат случайных столкновений, который теоретически может оказаться и иным, так что второй закон термодинамики больше не может считаться абсолютно неизбежным. В принципе не исключено такое стечение обстоятельств, что множество «горячих» молекул наберут энергию из «холодных» и тепло перетечет, таким образом, из холодного предмета к горячему. То есть кинетическая теория не считает невероятным, что вода в чайнике, поставленном на огонь, не закипит, а замерзнет и огонь станет еще жарче.
Вероятность такого события (просчитанная на основе уравнений Максвелла) настолько ничтожно мала, что даже если бы вся Вселенная состояла только из стоящих на огне чайников, то шансов дождаться, чтобы хоть один из них замерз за все время существования Вселенной, у нас все равно не было бы практически никаких.
Разница между неизменным потоком тепла и потоком, испытывающим постоянные колебания, с философской точки зрения, конечно, огромна, но с практической настолько незначительна, что Максвеллу пришлось специально изобретать способ ее хоть как-то подчеркнуть. Поэтому он придумал крошечное существо, которое с заслонкой сидит на трубе, соединяющей две камеры с газом, температура в которых сначала одинакова. Существо, выдуманное Максвеллом, занималось следующим: когда к трубе подлетала из правой камеры быстро движущаяся молекула, оно пропускало ее через трубу, а медленные — не пропускала. Из левой же камеры оно, наоборот, пропускало все медленные молекулы, а быстрые — нет. Таким образом, в левой камере собирались быстро движущиеся молекулы, и сама камера нагревалась, а в правой — медленно движущиеся, и камера остывала. Таким образом, тепло перетекало бы из холодной камеры в горячую, что для старой теории тепла было неприемлемо, а для кинетической — вполне допустимо. Это воображаемое существо было названо «демоном Максвелла», и с тех пор этот «демон» известен как идеальный борец с энтропией.
Впрочем, подобные демоны водятся не только в наших фантазиях. В реальной жизни тоже существует некий аналог «демона Максвелла». Среднестатистические свойства молекул столь близки к неизменным только потому, что при обычных обстоятельствах мы имеем дело с телами, состоящими из огромного количества молекул. По мере уменьшения количества молекул в системе шансы наткнуться на заметное отклонение от среднестатистической вероятности возрастают. Когда речь идет о действительно малых количествах, ровное единообразие полностью пропадает.
В качестве такого примера можно назвать наблюдение, которое произвел в 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун, отметивший, что цветочная пыльца, будучи распыленной в воде, как-то странно шевелится то в одном, то в другом направлении, очевидно, случайным образом. Сначала он решил, что пыльца движется сама, поскольку в ней скрыта живая сила, но вскоре обнаружилось, что подобным образом шевелятся и любые другие маленькие предметы (например, распыленные красители). В честь первооткрывателя это явление было названо «броуновским движением».
Примерно в 1890 году Больцман продемонстрировал, что броуновское движение можно объяснить с помощью кинетической теории. Он отметил, что любой находящийся в воде предмет со всех сторон подвергается бомбардировке молекулами окружающей его воды. Статистически количество ударов, получаемых им с одной стороны, будет уравновешиваться количеством ударов, получаемых с другой, и в итоге предмет будет оставаться неподвижным.
Понятно, что точно равным количество ударов с обеих сторон не будет, но при обычных обстоятельствах это не важно, разница будет незначительна. Если с одной стороны предмет получил квинтиллион ударов, а с другой в этот же момент — квинтиллион и двенадцать, то такое неравенство останется незамеченным. Однако при уменьшении размеров находящегося в воде тела общее число ударяющих по его площади одновременно молекул тоже уменьшится, и то же самое небольшое неравенство станет ощутимее. Если взять настолько маленькое тело, что одновременно в него будут ударять лишь сто молекул с одной стороны и сто двенадцать — с другой, эти двенадцать ударов разницы, незаметные в первом случае, теперь могут оказать вполне реальное воздействие. Больцман продемонстрировал, что применительно к очень малым телам случайное движение молекул, при котором возникает перевес ударного воздействия то в одну, то в другую сторону, вполне может привести к поведению характеризуемому броуновским движением.
Таким образом, мы имеем дело со своего рода демоном Максвелла, шевелящим тела, которым по прежней теории предназначено было пребывать в неподвижном состоянии. Поскольку движения частиц строго хаотичны, то никакой направленности в долгосрочной перспективе в отношении крупных тел в них просматриваться не может.
В 1905 году Альберт Эйнштейн разработал точную математическую модель броуновского движения, а в ходе точных экспериментов 20-х и 30-х годов XX века были измерены даже скорости движения молекул в газах, и оказалось, что их распределение в точности соответствует расчетам кинетической теории.
Энтропию тоже можно рассматривать в свете кинетической теории. Однако сначала разберемся в значениях слов «порядок» и «хаос».
Интуитивно мы называем «порядком» любое положение вещей, в котором присутствует некая математическая или логическая закономерность. Если же никакой системы в положении вещей вычленить невозможно, мы называем это хаосом.
Можно сказать так: порядок — это когда одну часть системы можно отличить от другой, а хаос — когда четкой границы нельзя провести нигде. Чем более четки различия между частями системы, тем более она упорядоченна.
Часто используемым примером упорядоченной системы является колода карт, где все карты сгруппированы по мастям и карты каждой масти расположены по старшинству. Заранее известно, что первая карта — пиковый туз, вторая — пиковый король и так далее по всем остальным мастям. Можно точно определить порядковый номер любой карты в колоде.
Если же разбивка колоды по мастям сохраняется, но в пределах каждой масти карты не расположены по старшинству, такая система уже менее упорядоченна. В отношении любой пиковой карты можно сказать только то, что она находится «где-то в первой четверти колоды», но точнее определить ее местонахождение уже невозможно.
Если же колода хорошо перетасована, то вообще ничего невозможно сказать ни об одной из карт. В этом случае мы имеем дело со «случайным распределением», то есть с хаосом.
Теперь давайте представим себе ситуацию возрастающей энтропии, например перехода тепла от горячего тела к холодному (это классический пример увеличения энтропии). По мере перетекания тепла горячее тело охлаждается, а холодное — нагревается, пока оба они не будут иметь некую среднюю температуру.
Во время этого процесса увеличивается не только энтропия, но и хаос. В частности, до начала теплопередачи оба тела (горячее и холодное) легко отличить друг от друга хотя бы по их температуре, если даже они и являются совершенно одинаковыми во всех остальных отношениях. По мере перетекания тепла от одного к другому разница между ними становится все меньше и в конце концов исчезает полностью.
Опять же, если свести вместе объем кислорода и объем водорода, температура и давление в которых равны, то они перемешаются, пока общий объем не будет содержать равномерную смесь обоих газов. Поскольку это спонтанный процесс, значит, при нем происходит возрастание энтропии. И поскольку в результате два легко различимых объекта становятся неразличимы, то, значит, хаос при этом тоже возрастает.
На самом деле в каждом конкретном случае можно провести параллели между возрастанием энтропии и возрастанием хаоса. Энтропия и хаос — это аналогичные явления.
Поскольку все спонтанные процессы подразумевают увеличение энтропии, то, значит, они подразумевают и увеличение хаоса. Странно было бы ждать, что тепло будет само по себе переходить от холодного тела к горячему, а смесь газов — сама по себе рассортировываться на составляющие.
Это утверждение справедливо и в отношении самого первого из наших примеров — колоды карт. Сложенная упорядоченным образом колода сама по себе, конечно, не перетасуется, но это лишь потому, что она вообще не будет подвергаться никаким изменениям. Но предположим, что мы создадим некие условия, при которых колода будет подвергаться неким изменениям, причем таким, которые будут определяться исключительно случайным образом. Например, если мы сбросим карты с крыши дома на мостовую. Тогда колода разлетится на отдельные карты. Если теперь эти карты собрать, не глядя на их достоинство, то в результате мы получим совершенно случайную последовательность, несмотря на то что начинали они свой полет в строгом порядке. Таким образом, мы имеем очередной спонтанный процесс, в котором возрастают и энтропия, и хаос.
Перетасовывание карт — тоже пример спонтанного процесса (в том смысле, что карты при нем распределяются случайным образом), при котором возрастают как энтропия, так и хаос. На самом деле честное перетасовывание карт случайным образом — обязательное условие для честной игры в карты.
Для того чтобы перевести колоду карт обратно из хаотичного в упорядоченное состояние, необходимо сесть и разложить ее, уделяя внимание каждой карте (то есть, в терминологии нашей первой главы, необходимо «совершить усилие», уменьшая энтропию). Глупо было бы ждать, что колода вдруг придет в упорядоченное состояние сама собой, если ее долго перетасовывать или подбрасывать в воздух.
Точнее, существует ненулевая вероятность, что перетасовывание колоды может привести к образованию где-то в ней коротенькой упорядоченной последовательности или даже длинной — ведь бывает же, что при сдаче на руках у одного играющего оказывается тринадцать пик. Это явление того же порядка, что и замерзание воды в поставленном на огонь котелке. Разница лишь в масштабах вероятности — увидеть на руках тринадцать пиковых карт вполне возможно лишь потому, что их в колоде всего пятьдесят две. Если бы карт в колоде было столько же, сколько молекул в котелке с водой, то и шансы вытащить случайным образом четверть из них так, чтобы все вытянутые карты оказались одной масти, были бы такими же ничтожными, как и увидеть замерзающую воду в котелке.
Из всех форм энергии тепло больше всех тяготеет к хаосу. То есть вещества, отличающиеся друг от друга только тепловым содержанием, труднее различить, чем вещества, отличающиеся количеством излучаемого света или положением в гравитационном или электромагнитном поле. Следовательно, во всех спонтанных процессах, где используется нетепловая энергия, часть энергии всегда переходит в тепло, что само по себе является примером возрастания энтропии.
По той же логике, все содержащееся в системе тепло никогда не может быть полностью переведено в нетепловую энергию, поскольку такой процесс подразумевал бы уменьшение энтропии. В действительности же если часть тепла переводится в другую форму энергии, то энтропия в оставшейся части возрастает настолько, что более чем компенсирует свое снижение, получившееся в процессе перехода тепловой энергии в нетепловую.
Таким образом, очевидно, что кинетическая теория газов, разработанная во второй половине XIX века, удовлетворительным образом объясняет термодинамические явления, зафиксированные в наблюдениях первой половины столетия под влиянием теории теплорода.
Однако, как уже упоминалось в начале главы, в рамках этой новой теории объясняется и то, как человеческий организм может производить работу, сохраняя при этом свою температуру неизменной, чего прежняя теория объяснить не могла. Я этого не забыл, и мы методично движемся к выполнению обещанного. Важнейшими понятиями теперь для нас станут «атом» и «молекула» — понятия, которых в прежней теории не было, но в новой являющиеся краеугольными.
Глава 7.
ЧАСТИЦЫ, УДЕРЖИВАЕМЫЕ ВМЕСТЕ
Соблазнительно было бы думать о человеческом организме (и вообще о живой ткани) как о механизме, извлекающем работу из равномерно нагретой системы просто в силу каких-то особых своих свойств, позволяющих противодействовать энтропии. Ведь в конце пятой главы я уже начал было описывать живую материю в терминах энтропии.
Однако давайте не будем сосредоточиваться на тепле исключительно как на источнике работы только потому, что этим занимались на заре возникновения термодинамики. Формулировка второго закона этой науки, выдвинутая Кельвином, гласила, что тепло невозможно перевести в работу при условии отсутствия разности температур, но ведь, помимо тепла, существуют еще и другие виды энергии! Падающий камень совершает работу, несмотря на тот факт, что температура его в точности равняется как температуре вершины скалы, на которой он лежал, так и температуре подножия, на которое он падает. Важна не разность температур, а разность потенциалов энергии.
В таком случае остается установить, какую же именно энергию используют живые организмы, извлекая из нее работу. Но жизнь — слишком сложное явление, чтобы постичь его с наскоку, и для начала надо взять что-нибудь попроще.
Вернемся к тепловым машинам и зададимся вопросом: откуда берется энергия для изначального нагрева горячей камеры? Ответ прост — она получается в процессе горения. Дерево, уголь, нефтепродукты или газ сжигаются, и полученная в этом процессе энергия нагревает воду до состояния пара, что и делает возможным функционирование тепловых машин. Да, для того, чтобы запустить процесс горения, любое топливо надо сначала поджечь, но количество энергии, получаемой во время горения, во много раз больше, чем количество энергии, изначально затраченной на поджигание. Так откуда же берется эта энергия?
Это крайне важный для нас вопрос, поскольку, как я расскажу позже, достаточно давно было подмечено, что между горением угля и дыханием живых существ есть что-то общее. Казалось, что, если удастся найти источник энергии, таящейся, скажем, в холодном угле, нашедший его окажется на прямом пути к открытию источника энергии человеческого организма.
Так или иначе, давайте попробуем.
В XVIII столетии, на пике популярности теорий неуловимых флюидов, считалось, что уголь — это пример вещества полного флогистона. Считалось, что в процессе горения флогистон высвобождается и именно этот процесс и порождает выделение тепла и света, составляющих горение. Однако эта теория содержала в себе неустранимые внутренние противоречия, за что Лавуазье ее и разгромил.
Теперь требовалось новое объяснение того, каков же источник высвобождаемой при горении энергии, и до появления теории атомов этот пробел так и не был заполнен.
Ключевую подсказку к правильному ответу я уже привел в предыдущей главе, там, где упоминал эффект Джоуля—Томсона. (Напомню: газ, расширяющийся в вакууме, производит работу, поскольку молекулам при центробежном движении приходится преодолевать существующую между ними слабую силу притяжения.)
Значит, между молекулами существует сила притяжения, так же как и между небесными телами. Как существование силы гравитационного притяжения является основой для самого понятия о «потенциальной энергии», так и существование межмолекулярного притяжения является основой для некоего понятия, которое можно по аналогии назвать «химической энергией».
Возьмем, скажем, лед. Он состоит из молекул воды, находящихся в непосредственном контакте друг с другом и расположенных в строгом порядке. (Я не буду углубляться в доказательство этих фактов, упомяну лишь, что такой порядок атомов или молекул называется «кристаллическим» и что большую часть твердых веществ можно привести к кристаллическому виду.)
При заданной температуре ниже 0 °С отдельные молекулы в составе кристалла вибрируют в рамках выделенного им места. Однако кинетической энергии подобных вибраций недостаточно, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, которое удерживает молекулы вместе так, что все молекулы продолжают оставаться на своих местах.
Если лед начать нагревать, молекулы будут вибрировать все быстрее и кинетическая энергия, которой они обладают, будет становиться все больше. По достижении температуры в 0 °С кинетическая энергия молекул становится достаточно мощной, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, и кристалл льда распадается. Отдельные молекулы начинают свободно перемещаться по общему объему вещества — они больше не привязаны к конкретному месту в общей структуре. Короче говоря, твердый лед начинает таять и превращается в жидкую воду.
По мере дальнейшего нагревания тающего льда поступающее тепло не переходит в увеличение кинетической энергии отдельных молекул и, соответственно, температура не повышается. Вместо этого вся поступающая тепловая энергия тратится на преодоление силы межмолекулярного притяжения, так что лед продолжает таять. Молекулы талой воды в образующейся слякоти не обладают большей кинетической энергией, чем те молекулы воды, что еще связаны в кристаллической структуре, так что температура образующейся жидкости не выше температуры еще не растаявших кристаллов льда. Тем не менее в какой-то форме вода все же должна содержать больше энергии, чем лед, ведь молекулы воды сумели преодолеть силу, удерживающую их в кристалле, а молекулы льда — нет. Эта форма энергии и есть та «химическая» энергия, о которой я упомянул.
Таким образом, молекулы жидкой воды при температуре 0 °С содержат больше химической энергии, чем молекулы льда при той же температуре. Когда лед тает, получаемое тепло переводится в химическую энергию, а не в кинетическую, поэтому в процессе таяния температура льда не повышается. Лишь после того, как весь лед растает, получаемое тепло снова будет переходить в кинетическую энергию и приводить к дальнейшему повышению температуры.
На процесс перевода грамма льда с температурой 0 °С в грамм воды с той же температурой тратится 80 калорий, так что каждый грамм жидкой воды содержит на 80 калорий химической энергии больше, чем грамм льда с той же температурой. Именно это латентное тепло плавления открыл Блэк в период господства теории теплорода. Он не сумел внятно объяснить этот феномен (хотя и совершил героическую попытку сделать это), поскольку в своей теоретической базе использовал лишь «невесомые флюиды». Нам в этом отношении повезло больше.
Но ведь это еще не все. В жидкой воде (как и в любой жидкости) составляющие ее молекулы не закреплены в каком-либо определенном месте, но продолжают оставаться в непосредственном контакте, скользя друг по другу. От обретения дальнейшей независимости молекулы все же удерживаются некими силами. Дальнейшее нагревание жидкости приводит к двум следствиям. Часть тепла переводится в кинетическую энергию, так что молекулы начинают вибрировать быстрее, и температура жидкости повышается. Другая часть переходит в химическую энергию, придавая молекулам способность оторваться от остальных без повышения температуры. Так образуется пар.
При любой температуре вода (как и любая жидкость) в тех или иных масштабах испаряется. Если жидкость находится в закрытом сосуде, то часть пара обязательно конденсируется обратно в жидкость и устанавливается некое равновесие, так что при каждой заданной температуре существует свойственное ей определенное давление пара. Чем выше температура, тем выше это давление.
В обычных обстоятельствах атмосферное давление выше, чем давление водяного пара, и оно не дает молекулам воды масштабно отрываться от жидкости. Однако при температуре 100 °С давление пара сравнимо по силе с атмосферным, и вода, преодолев атмосферное сопротивление, начинает испаряться с максимальной интенсивностью — мы называем этот процесс кипением. Естественно, при более низком атмосферном давлении давление пара уравнивается с ним при более низкой температуре. Поэтому на большой высоте вода кипит при меньших температурах, и задача сварить яйцо вкрутую там приобретает особую сложность.
Пока вода кипит, все получаемое тепло переходит в химическую энергию, и вода с температурой 100 °С переводится в пар с такой же температурой. И опять же, грамм пара с температурой 100 °С содержит на 540 калорий больше, чем один грамм воды с той же температурой. Это латентное тепло кипения.
Естественно, когда пар конденсируется обратно в воду, он должен вернуть эту химическую энергию, которая переводится при этом снова в тепло. Поскольку грамм конденсирующегося пара отдает при этом 540 калорий, а грамм воды, остывающей затем со 100 °С до 0 °С, — всего 100, становится понятно, что большая часть работы, производимой паровым двигателем, получается за счет конденсации пара, а не за счет последующего остывания воды.
Водяной пар при любой температуре содержит больше химической энергии, чем жидкая вода при той же температуре. Именно поэтому при потении тело охлаждается. Химическая энергия, необходимая для испарения пота, берется из тепловой энергии тела, так что тело в результате остывает. Когда влажность воздуха так высока, что конденсация влаги практически уравновешивает ее испарение, пот собирается в капли, и мы говорим: «Проблема не в жаре, а во влажности».
Но и это еще не все. Молекула воды сама по себе не является простейшей частицей — нет, она состоит из трех атомов. Два из них — атомы водорода, один — кислорода. Три атома удерживаются воедино с помощью сил гораздо более крепких, чем те, что обеспечивают притяжение между соседними молекулами, настолько более крепких, что на ум сразу же приходят аналогии с веревками и канатами. Поэтому внутримолекулярные силы притяжения называют «химическими связями».
По мере нагревания воды (рис. 6) не только молекулы набирают кинетическую энергию и ускоряют вибрации — то же самое происходит и с составляющими эти молекулы атомами. Но даже когда вода нагревается достаточно для того, чтобы молекулы смогли разорвать все соединяющие их связи, полученной энергии еще недостаточно атомам, составляющим молекулу, чтобы разорвать куда более прочные внутримолекулярные связи. Даже водяной пар продолжает состоять из целых молекул воды.
Однако при температуре в несколько тысяч градусов энергия вибрации атомов приобретает достаточную силу, чтобы разорвать химические связи, и вода начинает разлагаться на водород и кислород. При температуре 3000 °С около четверти молекул воды распадаются на водород и кислород. Соответственно смесь водорода и кислорода содержит в себе больше химической энергии, чем аналогичная масса воды при той же температуре.
Но и водород с кислородом, образующиеся из распавшейся воды, тоже еще не являются простыми частицами! Пока что это газы, молекула каждого из которых состоит из двух связанных между собой атомов. Связи между этими атомами тоже могут распасться, если вещество нагреть еще больше. При температуре около 3500 °С около четверти молекул кислорода распадается на единичные атомы (с получением так называемого «атомного кислорода»), а доля молекул водорода, распадающихся при той же температуре на атомный водород, — еще больше, около трети. И опять же, в атомной форме водород и кислород содержат больше химической энергии, чем молекулярный водород и кислород при той же температуре.
При еще более высоких температурах атомы и водорода и кислорода могут распадаться на еще более мелкие частицы, но в рамках нашей книги мы на этом остановимся.
Из всего сказанного видно, что связи межатомного и межмолекулярного притяжения имеют различную силу и что при разрыве или образовании одной конкретной связи или ее замещении на другую всегда происходит некое изменение (в ту или иную сторону) содержания в веществе химической энергии. В случаях, когда химическая энергия набирается, надо учитывать энергию, поступающую в других формах (чаще всего в тепловой), чтобы не создавалось впечатления нарушения первого закона термодинамики.
Теперь мы можем дать ответ на вопрос, откуда же берется энергия горящего угля. Тепло и свет, испускаемые при горении, возникают за счет потерь химической энергии, причиной которых являются изменения в природе химических связей в угле и атмосферном кислороде.
Для того чтобы дальше говорить о подробностях типов взаимодействий с учетом изменений в природе химических связей (то есть о химических реакциях), при которых производится энергия в форме тепла и света, нам необходимо выучить язык химических записей. Это нужно не для того, чтобы «наукообразить» наше повествование, а, наоборот, для того, чтобы читать было удобнее. К счастью, язык химических записей очень логичен и прост.
Начнем с того, что на данный момент известно 103 различных химических элемента, то есть 103 различных вида атомов. В рамках этой книги все 103 нам не понадобятся. Достаточно будет около дюжины самых важных.
У каждого элемента есть конечно же собственное название, будь то простое, например «железо», или сложное, например «празеодимий». Кроме названия, известного всем химикам в мире, у каждого элемента есть еще и всемирно принятое краткое обозначение. Это одна-две буквы латинского алфавита — первая буква названия элемента по-латыни плюс, в большинстве случаев, еще одна буква из названия.
Уже самые первые исследования структуры атомов показали, что основной параметр, по которому атомы разных видов различаются между собой, — это их масса. То есть отдельный атом углерода всегда в двенадцать раз массивнее отдельного атома водорода; отдельный атом магния в два раза массивнее отдельного атома углерода и так далее. Поэтому атомам различных химических элементов присвоены также номера, отражающие их относительную массу. Массе атома кислорода было произвольно присвоено значение 16,0000, исходя из чего с учетом пропорций и все прочие атомы получили свой «атомный вес»[3].
В таблице 1 я привожу несколько химических элементов, с которыми мы будем дальше иметь дело в этой книге, — их символические обозначения и атомные веса. Для последних приводятся самые точные значения по новым, 1961 года, стандартам. Однако нет никакой необходимости запоминать все десятые, сотые и тысячные доли. Большая часть значений атомных весов с легкостью округляется до целых единиц, и принято считать, что атомный вес водорода — 1, углерода — 12, натрия — 23, серы — 32 и так далее. Пожалуй, единственными случаями, когда десятичные цифры стоит брать в расчет, являются хлор с его 351/2 и магний с его 241/2.
Писать «С» вместо «углерод» или «Н» вместо «водород» быстрее и проще, особенно это важно для химиков, которые тратят большую часть времени
Водород …… Н … 1,00797
Углерод …… С … 12,01115
Азот …… N … 14,0067
Кислород …… О … 15,9994
Натрий …… Na … 22,9898
Магний …… Mg … 24,312
Фосфор …… Р … 30,9738
Сера …… S … 32,064
Хлор …… Cl … 35,453
Калий …… K … 39,102
Железо …… Fe … 55,847
Йод …… I … 126,9044
при написании своих работ на указание названий элементов. Когда же речь заходит об обозначении молекул, состоящих из различных сочетаний атомов, экономия становится просто невероятной. Здесь использование символики перестает уже быть вопросом одной лишь экономии сил и времени, а становится важной составляющей ясности подхода; вы и сами поймете это по ходу книги.
Возьмем, к примеру, кислород. В нормальных условиях это газ, состоящий из молекул, каждая из которых состоит, в свою очередь, из 2 атомов кислорода. Следовательно, если мы просто говорим «кислород», то непонятно, что именно мы имеем в виду: атомы или молекулы. Можно, конечно, вносить ясность путем добавления уточняющих определений — говорить «атомный кислород» или «молекулярный кислород», но опять же, мало того что мы при этом чрезмерно усложняем речевой оборот, так к тому же цель еще и остается при этом не полностью достигнутой. Ведь есть еще, например, такая форма молекулярного кислорода, как озон, в котором молекула состоит не из двух, а из трех атомов.
Для упрощения и конкретизации вопроса нужно всего лишь дописать к символу — обозначению элемента циферку, и мы получаем химическую формулу вещества, которая сама по себе говорит нам о строении молекулы. Таким образом, просто О обозначает атомный кислород (совсем уж дотошные педанты могут записывать его как О2 но по умолчанию и так принято считать, что если символ написан без дополнительных цифровых обозначений, то подразумевается «1»).
Молекулярный кислород обычного типа пишется O2, а озон — О3.
Точно так же азот, водород и хлор — все они в обычном виде тоже представляют собой газы, состоящие из двухатомных молекул, и записываются так: N2, H2 и Cl2.
Не всегда предмет состоит из молекул четко определяемого состава. Например, кусок углеродного материала (например, угля) состоит из множества атомов углерода, объединенных между собой очень сложными химическими связями. В принципе кусок угля можно рассматривать как единую огромную молекулу. Однако для простоты химические элементы в твердом состоянии обозначает просто как атомы, игнорируя при этом реальные связи между этими атомами. Поэтому углерод в его твердом естественном состоянии обозначается просто как С.
Буквенно-цифровую систему можно использовать и в том случае, если молекула состоит из атомов нескольких разновидностей (такие вещества называют «сложными»). Так, например, формула сложного вещества хлороводорода (это газ, состоящий из двухатомных молекул, один из атомов которой — водород, а второй — хлор) записывается так: НСl.
Молекула воды, состоящая из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода, записывается как Н2O (эту формулу знают все, даже те, кто не имеет ничего общего с химией), а формула углекислоты, состоящей из 1 атома углерода и 2 — водорода, обозначается как СO2.
Каждая молекула имеет свой молекулярный вес, равный сумме атомных весов всех составляющих ее атомов. Молекулярный вес молекулы кислорода, O2, равняется 16 + 16, то есть 32. Молекулярный вес углекислоты — 12 + 16 + 16 то есть 44, и так далее.
Формулы можно использовать для описания химических реакций более быстрым и точным образом, чем в словесном рассказе. Например: уголь, представляющий собой практически чистый углерод, при горении вступает в соединение с содержащимся в воздухе кислородом, в результате чего получается углекислота. Химическая реакция в данном случае записывается так:
Это можно перевести как «углерод плюс кислород равно углекислота», и является прекрасным примером химического выражения.
Таким же образом, водород вступает в соединение с кислородом, в результате чего получается вода. Это можно записать таким образом:
Поделиться книгой: