Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Существует такой тип веществ, как кислоты, характеризующийся определенным набором свойств, который может вступать в реакцию с другим типом веществ, так называемыми основаниями, обладающими свойствами прямо противоположными кислотным. В результате этих реакций образуются вещества, чьи свойства не близки ни кислотам, ни основаниям. Такие реакции называются «реакциями нейтрализации», и мы приведем пример одной из них. Вот как реагирует хлороводород, раствор которого имеет кислотные свойства, с гидроксидом натрия, раствор которого является основанием (в результате реакции получаются хлорид натрия и вода):

НСl + NaOH → NaCl + H₂O

ΔН = -137,4 ккал.

Даже такие процессы, которые химическими можно назвать лишь с некоторой натяжкой, например растворение некоего вещества в воде, могут выделять тепло реакции. Это вполне логично, поскольку при растворении вещества происходит замена сил, удерживающих его молекулы вместе, на силы, удерживающие его молекулы посреди молекул воды. Так, если в воде растворить карбонат натрия (пищевую соду), то ΔН этого процесса (именуемого в данном случае «молярной теплотой растворения», а не «молярной теплотой реакции») составит около -5,64 килокалории.

Остановимся поподробнее на карбонате натрия. Формула этого вещества — Na₂CO₃, молекулярный вес — 106 (46 — вес 2 атомов натрия, 12 — вес углерода и 48 — вес 3 атомов кислорода), так что растворение 1 грамма карбоната натрия приведет к выделению 564/₁₀₆, то есть 0,053 килокалории. Это 53 калории, то есть меньше тепла, чем выделится при замерзании 1 грамма воды, так что неудивительно, что факт выделения тепла при растворении соды остается незамеченным.

Изменения химической энергии не должны нарушать законы термодинамики. Я уже упоминал об этом, когда подчеркивал, что изменение уровня химической энергии должно компенсироваться противоположным изменением уровня тепловой энергии, чтобы не оказался нарушенным первый закон термодинамики. Но это еще не все.

Самый первый закон о свойствах химической энергии вывели в свое время Лавуазье и другой французский ученый, Пьер Симон де Лаплас, который в 1780 году на основании достаточно грубых (по позднейшим меркам) измерений сделал вывод, что тепло, поглощаемое при разложении вещества на составляющие, равняется теплу, затрачиваемому на то, чтобы создать это же вещество из этих же составляющих.

Вот пример. Я уже говорил, что при соединении водорода и кислорода выделяется 68,37 килокалории тепла на моль сгоревшего водорода, или (что то же самое, как видно из уравнения) на моль получившейся воды:

Н₂ + 1/₂O₂ → H₂O,

ΔН = -68,37 ккал.

Следовательно, согласно закону Лавуазье—Лапласа, разложение 1 моля воды на водород и кислород (выражение для этого действия можно получить, просто обратив вспять выражение для создания воды из составляющих) потребует приложения 68,37 килокалории энергии, то есть

H₂O → Н₂ + 1/₂O₂,

ΔН = +68,37 ккал.

В данном случае значение ΔН положительно, поскольку вода в ходе реакции получает, а не отдает химическую энергию за счет того, что для того, чтобы реакция разложения молекулы воды оказалась возможной, к ней прилагают энергию тепловую или (что чаще) электрическую.

Рис. 10. Механическая энергия и химическая энергия 

Можно провести аналогию между химической энергией и механической. В механике кинетическая энергия движущегося вверх предмета полностью преобразуется в потенциальную энергию в верхней точке подъема, а затем — обратно в изначальную кинетическую энергию в нижней точке падения. Точно таким же образом нехимическая энергия, которую получает вода, переводится в химическую путем распада на смесь водорода с кислородом, а затем вновь переходит в нехимическую, когда водород с кислородом снова соединяются, образуя воду (рис. 10).

Разумеется, полное равенство достижимо только в идеальных условиях. В отношении механической энергии — это отсутствие трения и сопротивления воздуха, в отношении химической — это отсутствие теплопотери. В реальности, когда воду разлагают с помощью электрического тока, часть электрической энергии всегда теряется, переходя в тепло; а если энергию сразу подают в воду в тепловом виде, то часть ее обязательно уходит в окружающее пространство. В любом случае сначала приходится тратить больше энергии, чем ее удастся получить в итоге. Однако это лишь отражение увеличения энтропии, а в целом же данный факт только лишний раз подтверждает, что в отношении химической энергии законы термодинамики соблюдаются так же, как и а отношении любой другой.

Еще один важный закон открыл в 1840 году физик по имени Герман Иванович Гесс в Санкт-Петербурге (Россия). Проведя множество экспериментов в области теплоты реакций, он сделал вывод, что в общем случае, если реакция происходит в несколько стадий, то общий объем теплоты реакций в цепочке будет тот же, что и в том случае, если производить реакцию в один прием. Этот закон был назван именем открывшего его ученого и оказался столь важным, что Гесса сейчас принято считать отцом термохимии (тепловой химии).

В качестве простого примера (хоть и не попавшего в число тех, что наблюдал сам Гесс) можно привести опять же горение углерода. Углерод может соединяться с кислородом и в пропорции атомов 1:1 — в таком случае получается угарный газ, СО. Соответственно мы можем написать такое выражение:

C + 1/₂O₂ → CO

ΔН = -26,4 ккал.

Угарный газ способен гореть, то есть объединяться еще с одним атомом кислорода в более распространенный углекислый газ:

CO + 1/₂O₂ → CO₂,

ΔН = -67,6 ккал.

Если мы сложим оба этих выражения (как будто бы это были просто математические уравнения), то по закону Гесса мы должны будем получить суммарную теплоту реакции.

С + 1/₂О₂ + СО + 1/₂О₂ → СО + СО₂

ΔН = (-26,4) + (-67,6) ккал.

Преобразовав получившееся выражение опять же по законам математики, то есть сократив находящийся по обе стороны уравнения СО и сложив две половинки молекулы кислорода в одну целую, мы получаем

С + О₂ → СО₂

ΔН = -94 ккал,

то есть именно то же самое выражение, которое мы вывели бы, если бы просто сжигали углерод, получая при этом в один прием углекислоту.

Более общая формулировка закона Гесса звучит так: при преобразовании химическим образом вещества А в вещество В итоговое изменение энергетического содержания будет одним и тем же, независимо от того, каким путем вещество было преобразовано. Здесь можно снова провести аналогию с механической энергией, где совершенно не важно, каким образом и по какому маршруту тело было перемещено из одного положения в другое; на изменение его потенциальной энергии влияет только само изменение положения.

Должен признаться, что, приведя в качестве самого простого примера действия закона Гесса процесс горения углерода, я несколько погрешил против истины. Измерить напрямую количество тепла, получаемого при сжигании углерода с образованием угарного газа, невозможно, поскольку нельзя построить эксперимент таким образом, чтобы углерод, соединяясь с кислородом, образовывал только угарный газ. Чистый угарный газ можно получать, но по-другому.

Однако термохимик способен произвести из углерода углекислоту и измерить теплоту этой реакции (получится -94 килокалории). Может он и путем сжигания сделать из угарного газа углекислый, снова измерив при этом теплоту реакции (получится -67,6 килокалории). Затем, положившись на закон Гесса, он вычтет из первой теплоты реакции вторую и сделает вывод, что молярная теплота реакции перевода углерода в моноксид углерода, угарный газ, составит -26,4 килокалории, хотя доказать это экспериментально ученый окажется не в состоянии.

Важность закона Гесса заключается в том, что он означает следующее: теплоту любой реакции, даже той, которую по каким-то причинам невозможно измерить, можно высчитать исходя из теплоты других, более доступных для экспериментатора реакций.

Например, существует такой углеводород, как этилен, — это газ, молекулы которого состоят из 2 атомов углерода и 4 — водорода (С₂Н₄). Один моль этого газа, сгорая в кислороде, выделяет 340 килокалорий. Выражение для этой реакции выглядит так (я пронумерую выражения для удобства отсылки к ним в дальнейшем):

1) С₂Н₄ + 3O₂ → 2СO₂ + 2H₂O

ΔН = -340 ккал.

Я уже описывал процессы горения углерода и водорода, но сейчас я снова выпишу выражения для этих реакций, потому что они нам понадобятся:

2) С + O₂ → CO₂

ΔН = -94 ккал.

3) Н₂ + 1/₂О₂ → Н₂О

ΔН = -68 ккал.

Теперь давайте проведем математические преобразования этих химических выражений. Если вы из тех, кого тошнит от математики, то можете смело пролистнуть остаток этой главы; остальным же, думаю, должно понравиться.

В выражении 3 перенесем 1/₂O₂ из левой части уравнения в правую с переменой знака (на теплоте реакции это никак не скажется), получим:

4) Н₂ → H₂O — 1/₂O₂

ΔН = -68 ккал.

Теперь удвоим обе части выражения 4, при этом удвоится и теплота реакции:

5) 2Н₂ → 2H₂O — O₂

ΔН = -136 ккал.

Сделаем то же самое с выражением 2 — переместим O₂ в правую часть уравнения с переменой знака и удвоим все значения, включая теплоту реакции:

6) 2С → 2CO₂ — 2O₂

ΔН = -188 ккал.

Обратим выражение 1 без перемены знаков; в этом случае, согласно закону Лавуазье—Лапласа, изменится знак у теплоты реакции:

7) 2СO₂ + 2H₂O → С₂Н₄ + 3O₂

ΔН = +340 ккал.

В выражении 7 переместим 2СO₂ и 2H₂O в правую часть с переменой знака — знак теплоты реакции останется при этом неизменным:

8) Ноль → С₂Н₄ + 3O₂ — 2СO₂ — 2H₂O

ΔН = +340 ккал.

(Я написал здесь «ноль» вместо 0, чтобы его не путали с обозначением кислорода — О.)

Теперь же давайте сложим выражения 5, 6 и 8, не забывая складывать и значения теплоты реакций. Мы получим следующий результат:

9) 2Н₂ + 2С → 2H₂O — O₂ + 2СO₂ —

— 2O₂ + С₂Н₄ + 3O₂ — 2СO₂ — 2H₂O

ΔН = (-136) + (-188) + (+340) ккал.

Проведя все возможные математические сокращения правой части, мы увидим, что сократилось все, кроме С₂Н_4, так что все выражение теперь сводится к

10) 2Н₂ + 2С → С₂Н₄

ΔН = +15,2 ккал.

Таким образом, мы обнаружили, что если мы хотим 2 моля водорода заставить вступить в соединение с 2 молями углерода для получения 1 моля этилена, то для того, чтобы реакция состоялась, необходимо затратить 15,2 килокалории энергии. Иными словами, 1 моль этилена содержит на 15,2 килокалории больше химической энергии, чем составляющие его углерод и водород. Или можно сказать так: молярное тепло формирования этилена равняется + 15,2 килокалории.

На самом деле напрямую измерить это тепло формирования невозможно, поскольку не существует такой химической реакции, в ходе которой можно было бы за один шаг создать этилен из углерода и водорода. Тем не менее вышеприведенная цифра не вызывает у химиков никаких сомнений. Во-первых, все математические действия, произведенные нами, обоснованы вторым законом термодинамики, которые не оспаривает никто из химиков, а во-вторых, во всех тех случаях, где математические расчеты можно проверить практикой, они подтверждаются.

По этим причинам теплота формирования этилена и многих других соединений рассчитывается на бумаге ко всеобщему удовлетворению, и тот факт, что получаемые значения не проверены на практике и никогда не будут проверены, никого не смущает.

Глава 9.

НАПРАВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ

Закон Гесса является выражением первого закона термодинамики применительно к химическим реакциям, и теперь мы переходим к дальнейшему. Несколько глав назад мы сделали попытку определить жизнь через энтропию, а также предположили, что жизнь как процесс в чем-то сродни горению и, следовательно, должна потреблять химическую энергию. Теперь мы попытаемся установить, как же действует второй закон термодинамики применительно к химическим реакциям.

В отношении механической энергии мы уже знаем, что второй закон термодинамики требует, чтобы предметы спонтанно перемещались из положения с большей потенциальной энергией (в данном случае она называется «гравитационным потенциалом») к положению с меньшей, и не наоборот. Вода течет по склону горы вниз, а не вверх. В отношении тепловой энергии второй закон термодинамики требует, чтобы тепло спонтанно переходило только от горячих тел (обладающих большей температурой — «тепловым потенциалом») к холодным, а не наоборот. Продолжая аналогию, можно предположить, что и химические реакции будут проходить таким образом, чтобы вещество переходило из состояния с большим «химическим потенциалом» в состояние с меньшим, и не наоборот.

Соответственно возникает вопрос: что же это за химический потенциал и как его измерить?

Бертло, которого я упоминал в предыдущей главе, как автора множества экспериментов по измерению теплоты реакции, считал, что ответ может крыться в самих этих измерениях. Он высказывал мнение, что спонтанными можно считать те реакции, которые характеризуются снижением химической энергии и соответственно выделением тепла, то есть те, ΔН которых отрицательна. С другой стороны, реакции, при которых химическая энергия увеличивается, так что тепло извлекается из окружающей среды (иными словами, ΔН которых имеет положительное значение), не будут протекать спонтанно.

Бертло назвал реакции первого типа (с выделением тепла в окружающую среду) «экзотермическими» (от греческого «тепло наружу»), а реакции второго типа (с поглощением тепла из окружающей среды) — «эндотермическими» (что означает «тепло внутрь»). По мнению Бертло, спонтанными могут быть только экзотермические реакции.

Существует множество примеров, которые подтверждают это правило. Например, смесь водорода с кислородом, если ее поджечь, возгорится мгновенно и даже взрывообразно, соединяясь в воду, — это экзотермическая реакция. С другой стороны, вода может вечно находиться в стабильном состоянии, не выказывая ни малейшего желания разлагаться на водород и кислород, — если бы этот процесс начался, он был бы эндотермическим. Точнее, если воду как следует нагреть, она начнет разлагаться, но ведь и вода может течь вверх, если ее качать насосом.

Тут можно возразить, что смесь водорода с кислородом тоже может вечно находиться в стабильном состоянии, совершенно не собираясь вступать в реакцию, пока в систему, опять же, не добавят избыточное тепло. Однако есть принципиальная разница. После того как некоторое количество избыточного тепла подожжет смесь водорода с кислородом, дальше реакция продолжается сама сколь угодно долго. Если же, с другой стороны, добавление дополнительного тепла, или электрического тока, запускает реакцию разложения воды на водород и кислород, то прекращение подачи тепла или электричества тут же приведет к остановке реакции на любом этапе.

Короче говоря, экзотермическая реакция соединения водорода и кислорода в принципе может продолжаться спонтанно, а эндотермическая реакция разложения воды — не может.

Однако, к огорчению Бертло, это правило оказалось недостаточно всеобъемлющим. Все экзотермические реакции действительно происходят спонтанно, а все эндотермические, как правило, не происходят спонтанно. Однако все же есть несколько реакций, которые являются эндотермическими и при этом все же происходят спонтанно. Лучшим примером такого рода реакций является растворение некоторых веществ в воде. Если аммиачную селитру высыпать в воду, то она спонтанно растворится, хотя АН этого процесса и будет положительна. При этом происходит набор химической энергии, а тепловая — извлекается из воды, которая становится ледяной на ощупь. И не важно, скольким количеством примеров подтверждается теория Бертло, для того, чтобы опровергнуть ее, достаточно и единственного исключения.

Однако на самом деле ущербность теории Бертло доказывается не только фактом наличия нескольких опровергающих ее исключений. Против нее имеются и некоторые более тонкие возражения, подводящие нас к идее «химического равновесия».

Реакции, которые вызывают наибольший интерес термохимиков — реакции горения, — кажутся однонаправленными. То есть углерод и кислород соединяются навсегда для образования углекислоты, водород и кислород — для образования воды, соединения, имеющие в своем составе и углерод, и водород, соединяются навсегда с кислородом для образования углекислоты и воды. Более того, никогда вода в сколь-либо заметных количествах не разлагается на водород и кислород, а углекислота — на углерод и кислород. И вода никогда не соединяется с углекислотой для образования этилена или других углеводородов. Такие однонаправленные реакции также называют необратимыми.

Однако положение дел обстоит таким образом далеко не со всеми химическими реакциями. Например, посмотрим на одну из реакций с участием водорода и йода. При обычной температуре йод представляет собой синевато-серое твердое вещество, но плавное нагревание его приводит к появлению фиолетового газа, а при температуре выше 184 °С он существует исключительно в виде газа. В газообразном состоянии йод состоит из двухатомных молекул (I₂).

Если же смешать йод с водородом при температуре, скажем, 445 °С, будет образовываться соединение йодоводород (HI):

H₂ + I₂ → 2HI.

Однако в соединение вступают не весь йод и не весь водород. Сколько бы времени ни протекала реакция, все равно часть йода и часть водорода не будут в ней участвовать.

Если же, наоборот, произвести некоторое количество чистого йодоводорода и нагреть его до тех же 445 °С, то он начнет разлагаться на йод и водород:

2HI → Н₂ + I₂.

И опять же, независимо от того, сколько времени протекает реакция, распадется не весь йодоводород. На самом деле, что бы мы ни взяли изначально — смесь ли йода и водорода или йодоводород, в итоге мы получим одно и то же соотношение: около 80% йода и водорода будут находиться в соединенном виде HI; около 20% — в разрозненном. Такие реакции, способные протекать в обоих направлениях, называют обратимыми.

Очевидно, происходит следующее: водород и йод, будучи смешанными при высокой температуре, быстро соединяются, образуя йодоводород. Образуемый йодоводород имеет тенденцию к распаду при такой температуре, но так много йода и водорода задействовано в процессе соединения, а йодоводорода еще так мало, что наблюдателю заметен только эффект соединения, и количество йодоводорода в эксперименте только увеличивается.

Однако по мере увеличения количества йодоводорода все больше и больше соединившихся молекул начинает распадаться, а одновременно с этим количество все еще продолжающих объединяться молекул водорода и йода сокращается, и скорость образования йодоводорода снижается. По мере того как скорость распада йодоводорода возрастает, а скорость образования — снижается, должен наступить момент, когда эти два процесса уравновесят друг друга. Эксперимент показывает, что этот момент наступает при соотношении йодоводорода к смеси йода и водорода 80: 20. Дальше никаких изменений мы уже не увидим, и не потому, что все процессы на этом останавливаются, а потому, что одновременно происходят два противоположно направленных и взаимно уравновешивающих друг друга процесса.

Теперь предположим, что изначально у нас имеется не смесь, а чистый йодоводород (рис. 11). Некоторые его молекулы начинают распадаться сразу же. По мере накопления водорода и йода в общем объеме в этих газах начинают проявляться тенденции к воссоединению, сила которых возрастает по мере накопления самих газов. И наоборот, по мере того, как количество молекул йодоводорода в общем объеме снижается, скорость распада оставшихся молекул также уменьшается. И опять же, как показывают наблюдения, в итоге наступает некий момент равновесия.

Когда два противоположно направленных процесса уравновешивают друг друга, это называется «состоянием химического равновесия». Само слово «равновесие» рисует в воображении картинку некоего замершего под действием разносторонне направленных сил положения дел. Это — статическое равновесие, но химическое равновесие — совсем не такое. Оба противоположно направленных процесса происходят со всей доступной им скоростью, но при этом аннулируют эффект друг друга. Это — динамическое равновесие.

Рис. 11. Отношения между скоростью реакции и химическим равновесием 

Ситуация химического равновесия, такого как в нашем примере с водородом и йодом, обычно обозначается таким образом: двумя противоположно направленными стрелочками: