II.

Все многообразие окружающих нас тел обусловлено существованием всего ста с небольшим разных типов атомов. Их различные комбинации образуют и очень простые молекулы (кислород, вода, углекислый газ), и молекулы-гиганты, построенные из очень большого числа атомов (например, белки или высокомолекулярные соединения-полимеры). Слово "гиганты" в отношении молекул следовало бы, конечно, взять в кавычки: ведь по сравнению с окружающими нас предметами молекулы малы.

Не утомляя читателя числами с огромным количеством нулей после запятой (от них суть дела не намного становится понятнее), приведем простое сравнение. Предположим, мы увеличиваем в одинаковое число раз молекулу воды и теннисный мяч. Если при этом молекула станет размером с мяч, то последний будет сравним с земным шаром.

Молекулы довольно неохотно поддаются расщеплению на атомы. Возьмем, к иримеру, обыкновенный лед. Его молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода. Нагревая лед, его можно расплавить и превратить в воду. Вода будет состоять из тех же молекул. При кипячении воды она испаряется, но и пары воды-это те же самые молекулы. Лишь нагревая водяные пары до очень высокой температуры (несколько тысяч градусов), можно разрушить молекулы и получить отдельные атомй водорода и кислорода.

При дальнейшем повышении температуры и атомы разлагаются на их составные части -положительные ядра и отрицательные электроны. Таким образом, атомы в молекуле связаны между собой довольно мощными силами.

Голландский физик Ван-дер-Ваальс, исследуя поведение плотных газов при различных температурах и давлениях, установил, что для объяснения их свойств необходимо предположить существование сил притяжения между молекулами на больших расстояниях и отталкивание на малых.

Причину возникновения межатомных и межмолекулярных сил можно понять лишь на основе квантовой механики - науки, описывающей поведение микрочастиц. Не останавливаясь на подробностях, укажем лишь, что эти силы имеют электрическую природу. Однако для расчета межатомных взаимодействий недостаточно одного известного закона Кулона. Квантовый характер движения электронов приводит к специфическим особенностям взаимодействия атомов по сравнению со взаимодействием обычных классических заряженных частиц.

Если на больших расстояниях атомы притягиваются, а на малых отталкиваются, то должно быть положение, где сила взаимодействия между атомами равна нулю (силы притяжения при уменьшении расстояния в этой точке сменяются силами отталкивания). Это так называемое положение равновесия. Поместив два атома на таком расстоянии, мы получим устойчивую молекулу. Действительно, при малейшем изменении расстояния между атомами возникают силы, стремящиеся вернуть эти атомы в исходное состояние (если расстояние увеличилось, то появляются силы притяжения, которые вызывают сближение атомов; при случайном уменьшении расстояния возникнут силы отталкивания).

В физике обычно говорят не на языке сил, а на языке энергий. Это оказывается во многих случаях удобнее. Например, при изучении движения тел в поле тяжести Земли вместо закона тяготения Ньютона часто пользуются понятием потенциальной энергии. Величина потенциальной энергии тела в поле Земли зависит от высоты, на которую оно поднято. Чем больше расстояния от Земли, тем большую работу совершает тело при падении и тем, следовательно, больше его потенциальная энергия. На поверхности Земли потенциальная энергия меньше всего.

Рис. 1.

Те же рассуждения можно применить и к молекулам. Раздвинутые на большое расстояние атомы обладают потенциальной энергией, так как они притягиваются. Точно так же из-за сил отталкивания имеется потенциальная энергия и у атомов, которые сблизились на расстояние меньше равновесного. Минимальная потенциальная энергия - у атомов, находящихся в положении равновесия. На рис. 1 изображена типичная кривая, показывающая, как изменяется потенциальная энергия в зависимости от расстояния между атомами. Точка r_о отвечает положению равновесия атомов. Видно, что при отклонении от этого положения энергия быстро растет. Если сначала атомы находились в точке r_о, то для удаления их друг от друга на большое расстояние нужно затратить энергию, равную D. При этом из молекулы мы получим два изолированных атома. D - энергия связи атомов в молекуле, или энергия связи молекулы.

Здесь уместно провести аналогию с механикой. Если некоторое тело, находящееся в поле тяжести, движется по поверхности, изображенной на рисунке, то его потенциальная энергия будет изменяться подобным же образом. Шарик всегда скатывается в углубление, и чтобы достать его оттуда, нужно затратить некоторую энергию, пропорциональную глубине ямы.

При химическом взаимодействии происходит превращение одних молекул в другие. При этом разрушаются старые связи и возникают новые. Рассмотрим в качестве примера реакцию между молекулами А и В (исходные вещества), которая приводит к образованию К и L (молекулы-продукты):

A + B =K + L.

Если новые молекулы прочнее старых (их суммарная энергия связи больше, чем у исходных молекул), то в результате реакции выделяется энергия. Действительно, на разрушение молекул А и В мы должны затратить меньше энергии, чем ее выделяется при образовании К и L. Такие реакции называются экзотермическими, а количество выделяющейся энергии (на одну молекулу или на единицу массы вещества) носит название теплового эффекта. Например, тепловой эффект реакции горения бензина составляет сорок пять миллионов джоулей (около десяти тысяч килокалорий) на один килограмм. Этого тепла достаточно, чтобы нагреть продукты горения до температуры в несколько тысяч градусов.

Если реакция идет с выделением тепла, это не означает, что она пойдет быстро. Ведь прежне чем образовать новые связи, нужно разрушить старые. А для этого нужно где-то взять энергию. Так, туристская группа, маршрут которой проложен из одной долины в более глубокую, должна сначала подняться на перевал. Энергия, необходимая для разрыва или существенного ослабления (достаточного для протекания реакции) связей в исходных молекулах, называется энергией активации. На рис. 2 изображены энергетические барьеры для экзотермической (а) реакции и реакции, идущей с поглощением тепла (б - эндотермический процесс). Величина Е -энергия активации, или тот барьер, который должны преодолеть исходные молекулы, чтобы вступить в реакцию, Q - тепловой эффект реакции.

Рис. 2.

Разрушение или ослабление химических связей может произойти под действием теплового (поступательного или колебательного) движения атомов и молекул. Природа устроена так, что энергия теплового движения при умеренных температурах обычно много меньше энергии активации. Так, для типичных реакций горения энергия активации в десятки тысяч раз превышает энергию теплового движения молекул. В этом причина столь малой скорости химического превращения при обычных температурах.

В газе при нормальных условиях каждая молекула испытывает в среднем десять миллиардов столкновений в секунду. Если бы каждое столкновение приводило к реакции, то она произошла бы мгновенно. Опыт не подтверждает этого. Например, смесь водорода и кислорода (гремучий газ) при комнатной температуре можно хранить совершенно спокойно. Все дело в том, что лишь очень малая доля столкновений оказывается эффективной, т.е. приводит к образованию воды. Большинство соударений оказываются бесполезными - химическая реакция идет лишь между теми молекулами, тепловая энергия которых намного превышает среднюю. А таких молекул очень мало. Из огромного числа молекул, содержащихся в кубическом сантиметре газа, лишь несколько имеют запас тепловой энергии, достаточный для того, чтобы пошла химическая реакция.

Однако доля активных молекул очень сильно возрастает с повышением температуры. Соответственно растет и скорость химической реакции. Чтобы почувствовать это, проще всего обратиться к числам. Реакция образования йодистого водорода из молекул водорода и йода при 290 К (комнатная температура) практически не идет: за миллион лет прореагировала бы всего одна тысячная процента смеси. Если же повысить температуру всего в два раза (до шестисот градусов Кельвина), то реакция в смеси закончилась вы всего за полтора часа. А при температуре в восемьсот градусов смесь прореагировала бы в течение секунды.

Для многих химических реакций справедливо следующее, довольно грубое, утверждение: повышение температуры на десять градусов приводит к удвоению скорости реакции.

Это свойство химических реакций природа использовала в процессе эволюции живых существ. Некоторые млекопитающие в трудное для них время года, зимние месяцы, впадают в спячку. При этом температура тела падает и лишь на несколько градусов превышает температуру окружающей среды. Жизненные процессы резко замедляются, что позволяет организму ограничить отдачу тепла наружу и преодолеть трудности, связанные с нехваткой питания. Наоборот, иногда выгодно повысить температуру тела (например, во время болезни) для того чтобы усилить обмен веществ и ускорить течение жизненных процессов. С этим успешно справляются органы терморегуляции организма.

Свойство химических реакций сильно ускоряться с повышением температуры лежит в основе объяснения и процессов горения.