| |
 |
При еще более высоких температурах частота излучения продолжает возрастать, так, что при температуре в 2000о С металл, миновав стадию ярко-красного, станет уже желтым. Солнце, температура на поверхности которого равна 5700о С, «раскалено добела», и испускает в достаточно большом количестве ультрафиолетовые лучи. Некоторые звезды (правда, их немного среди общего числа), излучают в основном в синей и ультрафиолетовой частях спектра. Солнечная корона, температура которой более миллиона градусов, испускает даже рентгеновские лучи.
Интерес к подробностям излучения тел при различной температуре к концу девятнадцатого века становился все больше. Для упрощения было введено представление о существовании тела, которое поглощает все попадающие на него лучи, какую бы частоту они не имели. Такой предмет не отражал бы никакого излучения, и представлял бы собой, таким образом, идеально «черное тело». Если такое черное тело нагреть, оно стало бы с одинаковой легкостью испускать излучение всех частот. (Тело, не являющееся «черным», то есть, поглощающее излучение лишь определенных частот, именно на этих частотах и будет излучать, если его нагреть).
Но если черное тело при нагревании действительно будет с одинаковой легкостью излучать на всех частотах, то возникает парадокс, нуждающийся в объяснении. Высокочастотных видов излучения существует гораздо больше, чем низкочастотных (так же, как чисел более триллиона существует гораздо больше, чем чисел менее триллиона). Поэтому если свет может с равной вероятностью «выбирать» среди всех доступных частот, то практически все излучение должно происходить в высокочастотном спектре, а на долю немногочисленных низкочастотных значений должно приходиться очень мало. Однако, при нагревании предметов, приближенных к идеальному «черному телу», такого не происходило. Даже при сравнительно высоких температурах большая часть излучения оказывалась лежащей в видимой и более низкочастотных частях спектра. Для получения высокочастотного излучения в более-менее значительном объеме требовалось нагреть тело до весьма значительных температур.
Объяснения этому явлению не существовало вплоть до 1900 года, когда немецкому физику Максу Карлу Планку пришла в голову идея. А что, если излучение, как и материя, не является непрерывной и однородной субстанцией? Что если излучение, как и материя, состоит из крошечных неделимых единиц? Для объяснения того факта, что высокочастотное излучение содержит больше энергии, чем низкочастотное, остается тогда только предположить, что оно состоит из единиц большего объема.
Планк назвал эти единицы энергии «квантами», от латинского «quantum» - «сколько?» и предположил, что энергетическое содержание одного кванта пропорционально частоте излучения. Обозначив энергию, как е, а частоту заданного излучения, как ? (греческая буква «ню»), мы получим математическую формулу гипотезы Планка в виде
е = h?
коэффициент пропорциональности которой h известен нам сейчас, как «постоянная Планка».
Соответственно, не следует предполагать, что при нагревании предмета, будь это даже идеально черное тело, оно будет с одинаковой вероятностью излучать на всех частотах. Частота гамма-лучей в миллиард раз больше частоты инфракрасных лучей, значит, на образование кванта гамма-излучения требуется в миллиард раз больше энергии, чем на образование кванта инфракрасного излучения. При низких температурах, когда энергетическое содержание предмета невелико, в нем могут образовываться вообще одни только кванты инфракрасного света. По мере роста температуры, а следовательно, и доступной для формирования квантов энергии, в предмете начинают образовываться все более и более крупные кванты все более и более высокочастотного излучения. Вообще, только с использованием квантовой теории оказалось возможным точное описание свойств испускаемого черным телом излучения – ничто больше добиться такого результата не позволяло.
Теория эта оказалась настолько революционной, что в течение некоторого периода лишь немногие физики решились принять ее на вооружение. А затем, в 1905 году, физик немецкого происхождения Альберт Эйнштейн с помощью квантовой теории сумел объяснить механизм, путем которого некоторые металлы под воздействием света начинают испускать электроны.
Еще в конце девятнадцатого века было отмечено, что под лучами света некоторые металлы испускают электроны. Энергия испускаемых электронов зависела при этом не от силы света, а от его частоты. К примеру, красный свет, неважно сколь сильный, не приводил к испусканию электронов вообще. Облучение желтым светом – вызывало испускание лишь небольшого количества электронов с малым содержанием энергии. Если желтый свет становился ярче и сильнее, электронов испускалось чуть большее, но их энергетическое содержание по-прежнему оставалось небольшим. А вот облучение синим светом уже приводило к испусканию достаточно энергичных электронов. Если синий свет был очень слабым, то и электронов испускалось мало, но энергетическое содержание их было при этом все таким же высоким.
Эйнштейн указал, что такое положение дел становится вполне логичным, если предположить, что энергия может поглощаться только целыми квантами. Энергии маленького кванта красного света не хватает на то, чтобы вытолкнуть электрон, и сколь сильным ни делай красный свет, испускания электронов не добьешься, потому что перед поглощением каждого следующего кванта атом всегда успеет избавиться от предыдущего. Чуть более крупные кванты желтого света при поглощении могут выбить электрон, обладающий слабой энергией, а еще более крупные кванты синего света – электрон с еще большим энергетическим содержанием.
И только тогда ученые наконец признали и приняли квантовую теорию Планка.
Вернемся же к нашей смеси водорода с хлором, и посмотрим, в свете свежеобретенного знания, что же делает с ней свет. Если смесь газов просто нагревать с помощью горячей плиты или даже пламени горелки, то излучение, с помощью которого в газ поступает тепло, будет в основном инфракрасным – в случае с горелкой лишь небольшая часть его будет находиться в видимой части спектра. Поэтому кванты его будут невелики. Расщепление молекул начнется лишь тогда, когда они наберут достаточно этих квантов для приобретения определенного уровня кинетической энергии.
А кванты сравнительно высокочастотных фиолетовых и ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете или магниевой вспышке, гораздо крупнее. Молекула хлора, два атома которой связаны слабее, чем в аналогичных молекулах водорода или кислорода, поглотив такой квант, сразу же набирает достаточно энергии для распада. Если обозначить квант за h?,то мы можем записать это так:
h? + Сl2 – > Сl + Сl
Каждый высвобожденный таким образом атом хлора может тут же вступить в реакцию с молекулой водорода для образования хлорводорода.
Но если бы это было все, то действием каждого кванта становилось бы образование двух молекул хлорводорода, и общее количество квантов, необходимое для превращения смеси двух газов в хлорводород, равнялось бы количеству имеющихся в смеси молекул хлора.
На самом же деле излучения требуется гораздо меньше. Тщательное изменение количества поставляемой энергии и образуемого хлорводорода показало, что подача одного кванта энергии может привести к образованию от 10 000 до 1 000 000 молекул хлорводорода.
Поскольку энергии одного кванта для выполнения такой задачи явно недостаточно, то остается сделать вывод, что здесь не все так просто. Общепринятое сейчас объяснение этого факта впервые было выдвинул специалист в области физической химии, немец Вальтер Герман Нернст. Он предположил, что расщепление молекулы хлора квантом с высоким энергетическим содержанием – это лишь первый шаг. Каждый полученный таким образом атом хлора далее вступает в реакцию с молекулой водорода, в результате чего получается не только молекула хлорводорода, но и свободный атом водорода:
Cl + H2 -> HCl + H
Этот свободный атом водорода, в свою очередь, вступает в реакцию с молекулой хлора, в результате которой образуется опять один свободный атом хлора:
H + Cl2 -> HCl + Cl
Этот атом хлора опять вступает в реакцию с молекулой водорода, полученный в ее результате атом водорода – в реакцию с молекулой хлора, и так далее – и на каждом повторении этого цикла будет образовываться молекула хлорводорода.
Задача полученного системой кванта энергии – лишь запустить эту цепную реакцию.
Возникает вопрос, почему же тогда цепная реакция не продолжается до тех пор, пока не обработает все до единой молекулы водорода и хлора и не превратит в хлорводород всю смесь без остатка. Дело в том, что цепная реакция не бессмертна. Рано или поздно очередная итерация реакции совершится не с положенной по счету молекулой водорода или хлора, а с какой-нибудь примесью – водой там или кислородом. Необходимый для продолжения цепной реакции свободный атом хлора или водорода в этом случае образован не будет, и цепочка прервется.
Даже при полном отсутствии в реагирующих газах каких-либо примесей (а очистить смесь до такого состояния, чтобы цепная реакция продлилась достаточно долго – весьма сложная задача!) все равно остается вероятность того, что высвобожденный атом вступит в реакцию, скажем, с молекулой вещества, из которого состоит стенка камеры, или с другим таким же свободным атомом, объединившись с ним обратно в такую же молекулу, из которой они изначально распались. То есть, даже при идеальных условиях цепная реакция не будет длиться вечно.
Понятно, что смесь газов, в которой вероятность длительного существования цепной реакции мала, останется в целом инертной при любом световом облучении. К примеру, на смесь водорода с кислородом световое облучение никакого заметного эффекта не оказывает. Даже если молекула газообразного кислорода и получит достаточно большой квант энергии, чтобы распасться, то получившиеся в результате свободные атомы кислорода присоединятся каждый к одной молекуле водорода, и на том все и кончится:
О + Н2 – > Н2О
В подробности природы света и его воздействия на химические реакции я углубился лишь потому, что ближе к концу книги эти свойства света приобретут для нас решающее значение. Однако сейчас путь, которым мы терпеливо продвигаемся, уводит нас в сторону от этого предмета – навстречу другим, не менее интересным.
Глава 12
Стимуляция без приложения энергии
Остановимся на мгновение и подведем промежуточные итоги. Мы начали с поисков различий между живыми существами и неживыми предметами и перешли от них к термодинамике тепловых машин.
Затем мы пришли к выводу, что живые существа тепловыми машинами не являются, но при этом вполне вероятно, что энергию они получают в результате процесса, сходного с горением. От этого повествование закономерно перешло к химической энергии и тому, что она представляет из себя с точки зрения законов термодинамики. Это соображение, в свою очередь, вынудило нас объяснить, почему именно реакции типа задействованных при горении и предполагаемых в участии в процессах жизнедеятельности, называются в терминах термодинамики «спонтанными», внешне таковыми не являясь.
Таким образом мы перешли к предмету обсуждения предыдущей главы – энергии активации, необходимой для того, чтобы «запустить» спонтанную реакцию.
Так чем же теперь это может нам помочь в нашей основной задаче – исследовании природы живой материи? Предположим, что в организме человека происходят такие же реакции, как и при горении. Соответственно, они должны обладать энергией активации, которую организм должен предоставить прежде чем эти реакции начнут спонтанно протекать, снабжая при этом в свою очередь организм энергией, необходимой для его функционирования. И кажется, что все описанное в предыдущей главе, к живой ткани никоим образом относиться не может.
Я описал два способа, которыми реагенты могут получить энергию активации – с помощью тепла и с помощью света, но в живом организме явно не используется ни то, ни другое. Температура живой ткани практически никогда не поднимается выше 37оС, чего явно недостаточно для запуска реакций, сходных с горением. То же самое со световым излучением – живая ткань, в принципе, может быть источником света (примером тому служат светлячки), но это никогда не бывает излучение с высоким содержанием энергии, достаточным для активации химических процессов. Так как же решают живые организмы задачу предоставления энергии активации?
Так может быть, перед нами наконец-то пример неподчинения живой материи законам термодинамики? Может быть, вот он, наконец-то, тот четкий критерий, что позволит нам провести границу между живой и неживой материей?
Перед тем, как перейти к непосредственному ответу на вопрос, давайте посмотрим, существуют ли в мире неживой природы явления, в которых спонтанная реакция запускается без поступления энергии активации, необходимой в большинстве случаев. Ведь если они существуют, то и в живой ткани вполне может происходить нечто подобное.
Первый значительный пример такого рода был обнаружен в связи с производством серной кислоты.
Серная кислота, как и ряд других сильнодействующих кислот, была открыта в средние века, став одним из очень важных, хотя и недооцененных, продуктов алхимических опытов. Алхимики слишком концентрировались на поиске рецептов производства золота и слишком мало внимания обращали на действительно важные результаты своих исследований.
Серная кислота действует во много раз сильнее, чем самая сильнодействующая кислота из известных древним (уксусная кислота виноградного происхождения). Она вступает в ряд химических реакций, которые более слабые кислоты или не могут повторить вообще, или повторяют гораздо медленнее. Таким образом, сильнодействующие кислоты в целом, и серная кислота в частности, явили собой очень действенный химический инструмент, как для исследовательского, так и для промышленного применения. Даже сегодня серная кислота является самым используемым в химической промышленности веществом, если, конечно, не считать повсеместно присутствующих воздуха и воды, да еще, быть может, соли. Ежегодно изготавливается около пятнадцати миллионов тонн серной кислоты, и есть мнение, что масштаб индустриализации страны можно определить по количеству потребляемой ею серной кислоты.
Понятно, что важное значение приобрела разработка технологий дешевого и массового производства серной кислоты. На заре современности ее производство было сложным и дорогим процессом с ограниченным объемом.
Причиной тому были не трудности с добычей исходного сырья. Им служит сера (S) – вещество, известное еще в древности, широко распространенное и веками добываемое в достаточном количестве и сравнительно легко, например, в Сицилии.
Сера хорошо горит, вступая в соединение с кислородом и образовывая при этом удушливый газ, сернистый ангидрид (SO2). Именно этот газ и дает знаменитый «запах серы», а не сама сера, которая запаха как раз не имеет.
Сернистый ангидрид растворим в воде, соединяясь затем с молекулой воды в «сернистую кислоту» - Н2SO3.
S + О2 -> SO2
SO2 + Н2О – > Н2SO3.
Действие сернистой кислоты имеет лишь умеренную силу, и, к тому же, она не очень стабильна. Это не то же самое, что необходимая нам серная кислота, имеющая в своем составе на один атом кислорода больше - Н2SO4.
И вот самое сложное – это именно добиться присоединения этого самого последнего атома. Точнее, сернистый ангидрит может и дальше соединяться с кислородом, образовывая при этом серный ангидрид (SО3), а он уже при растворении в воде и даст вожделенную серную кислоту:
2SO2 + О2 -> 2SO3
SO3 + H2O -> H2SO4
На бумаге все выглядит гладко, но проблема состоит в том, что реакция соединения сернистого ангидрида с кислородом, хоть и приводит к снижению уровня свободной энергии, а значит – является спонтанной, вместе с тем требует столь высокой энергии активации, что путем прямого соединения сернистого ангидрида с кислородом удается получить очень мало серного ангидрида. Поэтому на протяжении всего семнадцатого и начала восемнадцатого веков серную кислоту производили лишь по чуть-чуть, и использовали крайне редко. На получение двух фунтов серной кислоты уходила неделя тяжкого труда.
Затем, в 40-е гг. восемнадцатого века, один из производителей серной кислоты, Джошуа Уорд, вдруг обнаружил, что при сжигании стандартной упаковки серы удается произвести гораздо больше серной кислоты, если примешать к ней селитру (азотнокислый натрий). Выяснилось ли это случайно, или изначально планировалось подмешать в серу селитры, чтобы она быстрее сгорала, на манер пороха (который состоит, как известно, из серы, селитры и порошкового угля), я не знаю. Так или иначе, Уорд запатентовал свою технологию, и стоимость производства серной кислоты резко упала.
Масштабы производства этого химиката, соответственно, возросли, и сам технологический процесс стали осуществлять уже не в хрупких стеклянных колбах, а в больших свинцовых камерах.
На протяжении полувека производители продолжали подмешивать селитру в серу, так и не понимая, зачем именно они это делают. Никаких азотсодержащих веществ в результате реакции никогда не образовывалось. По окончании процесса селитра так и оставалась в камере нетронутой, так что ее можно было использовать снова и снова. В ходе реакции она ничего не отдавала, по крайней мере, этого не обнаруживалось, и не расходовалась. Так в чем же заключалась ее роль?
В 1806 году двое французских химиков, Шарль Бернар Дезорм и Николя Клеман выдвинули предположительное объяснение, принцип которого принят и по сей день. При сгорании серы и селитры образуются два газа, сернистый ангидрид и перекись азота (NO2). По предположению ученых, перекись азота отдает затем один из своих атомов кислорода на образование серного ангидрида, а сама превращается в простой оксид азота – NO:
SO2 + NO2 -> SO3 + NO
Сам оксид азота после этого забирает один атом из атмосферного кислорода и снова становится перекисью азота:
2NO + O2 -> 2NO2
Таким образом, перекись азота выполняет роль посредника, отдавая атом кислорода сернистому ангидриду, забирая на его место другой из воздуха, и снова передавая его другой молекуле сернистого ангидрида, и так далее. На всем протяжении этой активной работы перекись азота остается сама собой, превращаясь в конце реакции обратно в селитру, как будто ничего с ней и не происходило.
Со времен Дезорма и Клемана эта картина уточнялась и усложнялась. Сейчас уже известно, что перекись азота и сернистый ангидрид соединяются, вместе с водой и кислородом, в единый сложный «продукт присоединения», который в итоге распадается, в частности, на серную кислоту и селитру. Однако, принцип происходящего остается неизменным – сначала селитра участвует в реакции, а затем – восстанавливается в прежнем виде.
С точки зрения энергии при такой схеме удается избежать момента приложения мощной энергии активации, необходимой для непосредственного соединения сернистого ангидрида и кислорода (см. рис. 20). Да и самого непосредственного соединения тоже при такой схеме не происходит. Вместо этого, сернистый ангидрид соединяется с перекисью азота, образовывая с ним «продукт присоединения», в ходе реакции, требующей значительно более низкой энергии активации, а образование серной кислоты и восстановление перекиси азота происходит в ходе другой реакции, тоже требующей невысокой энергии активации.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
