Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

В случае соединения водорода с кислородом точка равновесия сдвигается так далеко в сторону воды, что практически неотличима от точки, обозначающей чистую воду. В этой точке равновесия уровень свободной энергии будет, конечно, ниже, чем в точке чистой воды, но настолько неощутимо ниже, что эту разницу практически невозможно измерить (можно только высчитать из сведений о свободной энергии).

Это значит, что в замкнутой системе водород и кислород никогда не соединятся в воду полностью — всегда будет оставаться неизмеримо малое количество свободного водорода и кислорода, не вступивших в реакцию. Более того, если изначально мы имеем чистый водяной пар, то при тех же условиях (температуре и давлении) неизмеримо малое количество этой воды будет разлагаться на водород и кислород.

С точки зрения термодинамики получается, что все реакции обратимы. Однако с практической точки зрения можно продолжать расценивать в качестве необратимых те реакции, в которых точка равновесия неотличимо близка к одной из крайних точек.

Поскольку положение равновесия напрямую зависит от изменений уровня свободной энергии при переходе от одной стороны химического выражения к другой, то это изменение можно очень просто вычислить, исходя из постоянной равновесия. Проблема только в том, что саму постоянную равновесия определить бывает очень сложно, особенно в отношении реакций, которые принято считать необратимыми. Поэтому ученые долго искали другие способы подсчета изменений уровня свободной энергии — и находили. Один из таких способов заслуживает особого рассмотрения, поскольку это поможет осветить важные положения химии. В этом способе используется электричество.

Однако, перед тем как приступить непосредственно к описанию этой методики, нам надо чуть глубже взглянуть на атом. До сих пор, описывая кинетическую теорию газов, я рассматривал атомы как крошечные бильярдные шары. Однако на самом деле они представляют собой гораздо большее. Атомы сами по себе состоят из еще меньших частиц. Это открытие, совершенное в 1890-х годах, произвело поистине революцию в науке.

Эти элементарные частицы принадлежат к трем основным категориям: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны относительно массивны и плотно сгруппированы в единое тело (так называемое «ядро атома»), находящееся в самом центре атома. Они в обычных химических реакциях не участвуют.

Все остальное пространство атома, за исключением ядра, занимают электроны, представляющие собой очень легкие частицы. Количество электронов в каждом атоме равно количеству протонов в ядре этого атома, и число это свое у каждого химического элемента. Его так и называют — «атомное число». Самый простой атом — атом водорода — содержит всего один протон и один электрон, атомы остальных элементов содержат больше. У некоторых сложных атомов, искусственно создаваемых в последние годы в лабораториях ученых, атомное число превышает сотню. В таблице 2 приведены атомные числа некоторых наиболее распространенных элементов.

Каждый электрон имеет свой «электрический заряд»[4], так же как и каждый протон. У нейтронов электрического заряда нет, и поэтому хотя их значение и крайне велико, но нас в ходе дальнейшего рассмотрения они интересовать не будут. Величина заряда электрона и протона одна и та же, но природа этих зарядов различна. Один протон будет отталкивать другой протон и, наоборот, притягивать электрон. Точно так же и электрон будет отталкивать другой электрон и притягивать протон.

Совершенно произвольно было решено назвать электрический заряд электрона отрицательным, а протона — положительным. Поэтому заряд одного электрона обозначается как -1, а заряд одного протона — как +1. Кроме того, установлен закон, что одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются.

В обычном атоме, как я уже сказал, количество протонов ядра (атомное число) в точности уравновешивается количеством удаленных от ядра электронов, так что атом в целом ведет себя как лишенный заряда, или «электрически нейтральный». Однако в отличие от протонов, хорошо укрытых в ядре от воздействия межатомных и межмолекулярных столкновений, легкие электроны, существующие на «внешних рубежах» атома, чувствуют эти события на себе в полной мере. И при химических реакциях неизбежно осуществляется некоторое перераспределение электронов между участвующими в реакции атомами. На самом деле именно наличие перераспределения электронов отличает химические реакции от изменений иного рода.

Водород (Н) — 1

Гелий (Не) — 2

Углерод (С) — 6

Азот (N) — 7

Кислород (О) — 8

Фтор (F) — 9

Натрий (Na) — 11

Магний (Mg) — 12

Алюминий (Al) — 13

Фосфор (Р) — 15

Сера (S) — 16

Хлор (Cl) — 17

Калий (К) — 19

Кальций (Са) — 20

Хром (Cr) — 24

Марганец (Mn) — 25

Железо (Fe) — 26

Кобальт (Со) — 27

Никель (Ni) — 28

Медь (Си) — 29

Цинк(Zn) — 30

Серебро (Ag) — 47

Олово(Sn) — 50

Йод (I) — 53

Вольфрам (W) — 74

Платина (Pt) — 78

Золото (Au) — 79

Ртуть (Hg) — 80

Свинец (Pb) — 82

Радий (Ra) — 88

Торий (Th) — 90

Уран (U) — 92

Плутоний (Pu) — 94

Лоуренсий (Lw) — 103

На электрическую нейтральность атома эти изменения могут влиять, а могут и не влиять. К примеру, два атома, столкнувшись, могут поделиться друг с другом электронами вполне стабильным образом (подробнее об этом чуть позже). Это «предоставление» электронов одним атомом другому сохраняется только до тех пор, пока атомы сохраняют контакт между собой. Для того чтобы разъединить атомы, необходимо теперь будет разорвать их стабильную связь, а на это потребуется значительное количество энергии. Без получения этой энергии атомы, имеющие общие электроны, будут неопределенно долго оставаться вместе, и именно это и есть основа тех химических связей, о которых я говорил в предыдущих главах. В молекулах водорода, кислорода, воды, углекислоты, йодоводорода и многих других соединений атомы удерживаются вместе с помощью «общих» электронов.

При подобного рода перераспределении электронов атомы продолжают оставаться электрически нейтральными.

Однако бывает и так, что определенные электроны в атомах некоторых элементов держатся крайне слабо. К примеру, в атоме натрия самый удаленный электрон не слишком-то прочно привязан к своему атому. Поэтому при соседстве с атомом хлора (который все собственные электроны удерживает очень крепко) самый удаленный атом натрия не то что становится «общим», а вообще переходит из атома натрия в атом хлора.

После такого перехода в атоме натрия остается всего 10 электронов, то есть на один электрон меньше, чем требуется, чтобы нейтрализовать положительный заряд 11 протонов ядра. Атом натрия теряет электрическую нейтральность. Теперь он несет общий заряд значением в +1, это заряд протона, потерявшего уравновешивающий его электрон. С другой стороны, у атома хлора теперь 18 электронов, то есть на один электрон больше, чем требуется для нейтрализации 17 протонов ядра. Поэтому его общий заряд теперь равняется заряду этого лишнего электрона, то есть составляет -1.

Такие атомы, несущие электрический заряд по причине избытка или нехватки электронов, называют «ионами». Естественно, ионы делят на положительные и отрицательные. Ионы обозначают приставляя к обычному символу элемента маленький плюс или минус, отражающий заряд иона. То есть ион натрия обозначается как N+, ион хлора — как Сl-.

Некоторые атомы могут терять в ходе химической реакции по два или даже три электрона, а могут и вести себя по-разному в разных условиях — при одной реакции терять два электрона, а при другой — три. Бывает даже так, что группа атомов, удерживаемая воедино с помощью обычных связей из «общих» электронов, теряет или приобретает электроны. Атомы остаются соединенными, но все вместе приобретают электрический заряд и становятся «сложными ионами». Мы не будем вдаваться в пущие подробности; однако на всякий случай приводим здесь список самых распространенных ионов (табл. 3).

Положительные

Название … Обозначение

Ион водорода … Н+

Ион натрия … Na+

Ион калия … К+

Ион магния … Mg2+

Ион кальция … Са2+

Ион цинка … Zn2+

Одновалентный ион меди … Cu+

Двухвалентный ион меди … Cu2+

Двухвалентный ион железа … Fe2+

Двухвалентный ион железа … Fe3+

Ион аммония … NH4+

Отрицательные

Ион фтора … F-