Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров
Вы никогда не задумывались над вопросом: почему склеивание, паяние или сварка способны скрепить самые несхожие материалы? Почему капля, прежде чем сорваться с зонтика, некоторое время висит на краю вашей матерчатой крыши, а с перьев водоплавающей птицы стекает, как с гуся вода? Почему масляные краски не отваливаются от холста?
И здесь не обошлось без вмешательства межмолекулярных сил!
Прочность материалов обусловлена также сцеплением молекул. Треснула ли бетонная стена, разорвался ли капроновый чулок, лопнул ли мыльный пузырь — значит, не выдюжили силы межмолекулярного взаимодействия. Они огромны, эти силы. Нить из лавсана сечением в один квадратный миллиметр выдерживает человека. А стеклянное волокно позволяет доводить нагрузку до 300 килограммов на каждый квадратный миллиметр!
А внутримолекулярное взаимодействие? Сильнее оно или слабее? Ну, разумеется, сильнее: иначе мир был бы ввергнут в пучину хаоса. Представляете, что бы получилось, если бы мы поставили чайник на огонь, а у нас вместо струйки пара повалил кислород и водород? Отрывающиеся от поверхности молекулы воды раздирали бы на части друг друга, рвались бы химические связи. Нельзя было бы ни купаться, ни просто умываться без опасения, что вместе с капельками, приставшими к коже, мы стряхнем осколки органических молекул, из которых состоит наше тело.
Да, внутримолекулярные силы в десятки раз превышают межмолекулярные. Теплота, которая требуется для разделения всех молекул в наперстке воды, составляет около одной килокалории. А для разделения того же количества H2O на атомы O и H надо не менее семи. Причем здесь не учтены тепловые затраты на нагревание до температуры разложения!
Каким же образом тепло разрушает валентные связи? И тепло ли?
Во время Международного геофизического года у нас вышел в свет сборник переводов «Планета Земля». Один из авторов — американский геофизик Дж. П. Койпер строил в своей статье догадки: что-то будет с нашей планетой через миллиарды лет?
Сейчас три четверти земной поверхности покрыты водой. Для космического наблюдателя то, что мы называем «планетой Земля», выглядит скорее как «планета Вода». Но у «планеты Вода» есть реальные шансы превратиться в настоящую, без всяких оговорок, «планету Земля»!
Представьте себе гигантские океанические бассейны, утратившие миллиарды тонн воды; небо без единого облачка над бесплодными континентами; иссякшие родники и высохшие русла рек, словно шрамы, пересекающие скорбный лик Земли; огромные облака всепроникающей пыли, окутывающей планету удушливым покрывалом; наконец, знойное днем и леденящее ночью дыхание ветра. Печальная обитель смерти и опустошения, мало похожая на нашу зеленую и нарядную планету…
Может ли так быть на самом деле? Судите сами.
Оказывается, причиной катастрофы может стать расщепление молекул воды. Да, именно такой процесс протекает в верхних слоях земной атмосферы.
Ультрафиолетовые лучи Солнца. Невесомые, незримые, электромагнитные волны! А действуют на молекулы, как удар молотка. И, словно искры от удара, по сторонам сыплются осколки. Идет фотолиз воды: H2O = H + OH. Более тяжелый гидроксил остается в атмосфере. А водород ускользает в космос. Так печально кончают свое существование водяные пары, поднявшиеся в заоблачные выси из рек и морей. Земной океан мелеет.
Успокоим впечатлительного читателя: «усушка» планеты за всю ее геологическую историю была настолько мизерна в глобальных масштабах, что ее не стоит опасаться многие миллиарды лет.
Это рассказано вовсе не для того, чтобы лишний раз напомнить: вот-де как важно изучать химическую связь методами квантовой механики! Мол, пустячная с виду реакция — расщепление воды, — а имеет грандиозное, так сказать космическое, значение!
Нет, нас сейчас интересует другое. Каким образом световые лучи разрывают валентную связь?
Молекула водорода напоминает гантельку. Атомы-шары скреплены упругой «пружиной» — валентной связью. Шары то растягивают, то сжимают пружину. C повышением температуры амплитуда колебаний растет. В какой-то момент пружина лопается. Происходит диссоциация. Но почему все-таки лопается? Что ее понуждает к этому?
Кванты лучистой энергии. К ним особенно чувствительны электроны. Еще бы: ведь электрон — тоже волна! Атомные ядра весьма восприимчивы к бомбардировке квантами. Да и сама молекула в целом.
Поглощенная веществом энергия солнечных лучей распределяется далеко не поровну. На вращение молекулы расходуется немного. Не более одной килокалории на каждую грамм-молекулу вещества. На усиление колебательного движения атомов идет несколько больше — от 1,5 до 6 килокалорий. Но все это вместе взятое в десятки раз меньше энергии, поглощаемой электронами!
Конечно, разным электронам требуется и разная энергия. Если они движутся во внутренних частях атома, для их возбуждения нужны тысячи и даже миллионы килокалорий. Такой энергией обладают рентгеновы лучи.
А их почти нет в составе солнечного спектра. Менее мощны фотоны ультрафиолетовой радиации. Они могут дать сотню-другую килокалорий на грамм-молекулу вещества. Конечно, этого недостаточно, чтобы расшатать устойчивую электронную конфигурацию внутренних оболочек молекулы. Зато наружные электроны весьма чувствительны к облучению ультрафиолетом.
Ощутив толчок, электрон возбуждается и перепрыгивает на более высокую оболочку-орбиту. Он может через некоторое время возвратиться, высветив то же количество энергии, которое получил. Такие прыжки туда и обратно происходят все время, пока мы освещаем какое-нибудь вещество. Именно поглощение света является причиной окраски химического соединения. Если вещество бесцветно, значит оно испускает не воспринимаемый глазом ультрафиолетовый или инфракрасный свет.
Каждый электрон способен поглощать и испускать энергию лишь строго отмеренными дозами — квантами. Чем ближе к этому определенному значению энергия фотонов, тем сильнее возбуждается электрон. Если энергия фотона меньше, чем нужно для возбуждения электрона, активации не произойдет. Если же фотоны слишком энергичны, они тоже действуют слабо. Фотон не может расходоваться по частям. Это же квант — неделимая порция энергии! А электрон не способен принять больше энергии, чем требуется для активации. Ведь ему отведены вполне определенные уровни-слои в электронных оболочках. Значит, пальба из пушек по воробьям в микромире столь же неэффективна, как из рогатки по слонам. Наибольшее действие оказывают лишь те фотоны, калибр которых в точности соответствует масштабам мишени.
Другое сравнение, если угодно: электрон заряжается, как пистолет. И подходят для этой цели пули только одного калибра.
Электрон начинает колебаться, перескакивая вверх и вниз с орбиты на орбиту, в такт с ударами фотонов. В беспокойной обстановке такого «артобстрела» спаренным электронам трудно удержаться вместе, сохранив антипараллельность спинов. Но как только спины окажутся одинаковыми, электроны-магнитики тут же начнут отталкиваться друг от друга. И хотя энергия самого отталкивания не так уж велика, в электронном облаке, окружающем атомные ядра в молекуле, происходят глубокие изменения. Молекула разваливается на
