Закон сохранения энергии
Вначале рассмотрим возможности применения закона сохранения и превращения энергии в химии.
Тепловые эффекты химических реакций
Известно, что химические реакции бывают экзотермическими (с выделением энергии) и эндотермическими (с поглощением энергии). Количество теплоты, выделяемое или поглощаемое в процессе реакции, определяется изменением внутренней энергии реагирующих веществ.
При химических реакциях происходит перестройка химических связей частиц реагирующих веществ. Во время экзотермических реакций химические связи перестраиваются таким образом, что внутренняя энергия реагирующих веществ уменьшается, на столько же увеличивается внутренняя энергия тел окружающей среды. При эндотермических реакциях внутренняя энергия реагирующих веществ возрастает за счёт уменьшения на такое же значение энергии объектов, окружающих реагирующие вещества.
Таким образом, тепловой эффект химической реакции — это изменение внутренней энергии реагирующих веществ. Для примера вычислим тепловой эффект при взаимодействии 1 моль цинка с разбавленной серной кислотой при температуре 20 °C. При этом учтём, что вследствие изменения химических связей выделяется энергия, равная 143,092 кДж. Запишем уравнение химической реакции:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2↑ + Δ𝐸
Как видим, в процессе реакции выделяется 1 моль водорода, система расширяется, при этом ею выполняется работа. Внутренняя энергия системы изменяется вследствие выполнения системой работы и выделения энергии: ΔE = A + Q.
Вычислим работу расширения образовавшегося водорода:
A = p(V−V0); так как 𝑉0 = 0, то A = pV.
Использовав уравнение Менделеева — Клапейрона, можно записать:
pV = RT,
откуда
A = RT = 8,31 Дж / (моль ∙ К) ∙ 293 К ∙ 1 моль = 2,438 кДж;
Δ𝐸 = 143,092 кДж + 2,438 кДж = 145,53 кДж.
Образование атомов также сопровождается выделением энергии. Энергию, которая выделяется, когда к иону присоединяется электрон или несколько электронов, можно определить по закону сохранения энергии; такую же энергию следует затратить, чтобы электрон оторвать от атома, т.е. энергия молизации равна энергии ионизации.
Наибольшую энергию ионизации имеют завершённые электронные оболочки, аналогичные оболочкам атомов инертных элементов. Вокруг этих атомов электрическое поле характеризуется минимальной энергией взаимодействия, поэтому они «неохотно» взаимодействуют друг с другом. Атомы же остальных элементов достигают конфигурации электронных оболочек инертных элементов, вступая в контакты с другими атомами. Например, при сближении двух атомов водорода их электроны образуют пару (дублет), общую для обоих атомов (рис. б).
Такое обобщение двух электронов позволяет атомам водорода иметь электронную оболочку, сходную с оболочкой атома гелия.
Из рисунка видно, что отрицательный заряд электронов как бы связывает ядра атомов — при образовании ковалентной связи также происходит сближение электрических зарядов, сопровождающееся уменьшением потенциальной энергии взаимодействующих атомов.
Сгущение электрического заряда между ядрами нельзя понимать буквально — облака вокруг ядер изображают не сами электроны, а вероятность их пребывания в определённых точках пространства вокруг ядра. Если плотность облаков в пространстве между ядрами больше, чем в других областях вокруг них, то это означает, что вероятность пребывания электронов в каждый момент времени в этой области больше, чем в других областях пространства, окружающего ядра.
При сближении ионов противоположного знака возможно образование ионных связей. Для этого они должны сблизиться на такое расстояние, на котором между ними начнут действовать электрические силы притяжения. Ионы под действием этих сил будут притягиваться до тех пор, пока не начнут преобладать силы отталкивания электронных оболочек. При образовании ионных молекул также происходит уменьшение потенциальной энергии ионов, объединяющихся в молекулу.
Образование кристаллов
Энергия выделяется не только при образовании ионных молекул, но и при образовании ионных кристаллов (рис. в). Наиболее известным вам ионным кристаллом является кристалл поваренной соли. В узлах его кристаллической решётки расположены ионы натрия и хлора. Каждый ион натрия окружён шестью ионами хлора, и наоборот, каждый ион хлора окружён шестью ионами натрия. Ионы с достаточным приближением можно считать точечными зарядами, поэтому можно определить силу взаимодействия между ними (по закону Кулона), а также работу, которую необходимо затратить, чтобы разделить ионы хлора и натрия в кристаллической решётке. Эта работа и будет равна той энергии, которая выделяется при образовании кристалла поваренной соли из ионов. Выделяемая энергия в свою очередь должна быть равна энергии, затраченной для превращения кристалла поваренной соли в газ, состоящий из ионов. Опыт показал, что равенство энергий действительно имеет место. Это может быть одним из доказательств того, что в ионной молекуле и ионном кристалле действуют силы электростатического происхождения.
При образовании ионного кристалла каждая из образующих его частиц занимает такое положение, в котором её энергия взаимодействия с окружающими её частицами минимальна. Если бы это было не так, т.е. если бы частицы обладали энергией, за счёт которой могла бы выполняться при данных условиях какая-либо работа, то она и выполнялась бы по перемещению частиц до тех пор, пока они не заняли бы такое положение, в котором их потенциальная энергия была бы минимальна (вспомните, что горошины в конце концов «успокаивались» на дне лунок). При образовании атомных кристаллов (рис. д) также выделяется энергия — частицы, составляющие их, занимают такое положение в узлах кристаллической решётки, при котором их энергия взаимодействия с окружающими частицами минимальна. Связи между атомами в кристаллической решётке поддерживаются при помощи спаренных электронов.
Металлические кристаллы (рис. г) образуются при сближении атомов, которые во внешнем электронном слое имеют столько электронов, что их число меньше половины того количества, которое необходимо для образования замкнутой оболочки. В кристалле металла валентные электроны принадлежат всему кристаллу, образованному положительными ионами и свободными электронами, «цементирующими» ионы. Эти электроны могут свободно переходить от одного атома к другому, двигаясь по всему кристаллу. У металлов кристаллическая решётка очень прочная. Чтобы её разрушить, нужно затратить большую энергию. Но эта энергия всегда равна той энергии, которая выделилась при образовании кристалла из атомов металла: закон сохранения и превращения энергии действует неукоснительно.
Межмолекулярные взаимодействия также имеют электромагнитную природу. Из рисунка е, ж видно, что при взаимодействии и полярных, и неполярных молекул проявляются силы электрической природы. Действие этих сил приводит к такому расположению молекул, при котором их состояние наиболее устойчиво в соответствии с данными условиями, а энергия взаимодействия с окружающими молекулами минимальна.
Таким образом, при образовании кристалла из частиц любого типа выделяется энергия, так как в кристалле частицы устанавливаются в таких положениях, при которых их потенциальная энергия минимальна. Кристаллизация — это экзотермический процесс. Как и при экзотермических реакциях, частицы здесь группируются таким образом, что энергия взаимодействия частиц или групп частиц друг с другом уменьшается, уменьшается и внутренняя энергия реагирующих веществ в целом — процессы идут с выделением энергии. И всегда, на сколько уменьшается внутренняя энергия кристаллизирующегося вещества или реагирующих веществ, на столько же увеличивается и энергия окружающих их тел.
К экзотермическим реакциям в основном относятся реакции соединения и замещения, к эндотермическим — реакции разложения. При этих реакциях перестройка химических связей происходит таким образом, что энергия взаимодействия частиц увеличивается за счёт поглощения энергии. При образовании более сложных соединений из простых энергия выделяется.
Об органических соединениях
Образование, например, фибрина, который закупоривает кровеносные сосуды при царапинах или других повреждениях, из молекул фибриногена сопровождается выделением энергии, потому что в этом процессе происходят те же химические взаимодействия, которые были рассмотрены выше. В начале этого процесса из молекул фибриногена образуется фибрин-мономер; затем он превращается в фибрин-агрегат; при его образовании проявляются электростатические взаимодействия, приводящие к образованию различных связей (ионных, гидрофобных и др.); при этом энергия взаимодействующих частиц уменьшается. На последней стадии под действием ферментов между молекулами фибрин-агрегата образуются прочные ковалентные связи, вследствие чего он превращается в фибрин-полимер.
Образование ковалентных связей также сопровождается уменьшением энергии взаимодействия… Но как же с этим согласовать утверждение, что из оксида углерода (IV) и воды при поглощении солнечной энергии образуются молекулы соединения, гораздо более сложные, чем молекулы оксида углерода (IV) и воды? Разберёмся в этом вопросе по порядку.
Превращение энергии в биосфере. Надеюсь, вы знакомы с иллюстрацией превращения вещества и энергии в биосфере, предложенной популяризаторами науки Н.Н. Дроздовым и П.П. Второвым. В ней круговорот вещества в биосфере, движущей силой которого является энергия Солнца, сравнивается с колесом водяной мельницы, которое крутится под напором воды. Как же распределяется энергия Солнца, попадающая на Землю? Около 30 % этой энергии отражается облаками и поверхностью Земли в космическое пространство и рассеивается в атмосфере; около 20 % поглощается облаками в верхних слоях атмосферы; около 50 % достигает поверхности Земли. За счёт этой энергии происходит нагревание поверхности Земли, возникают ветры и текут реки, идёт дождь и разрушаются горы; только десятые доли процента достигающей Земли солнечной энергии улавливаются зелёными растениями. Благодаря этой энергии и совершается круговорот веществ в биосфере. Вы обращали когда-нибудь внимание, как расположены листья на деревьях в верхних ярусах леса и на травянистых растениях под пологом леса, а также на ветвях нижнего яруса?
На растениях, которые растут под сенью деревьев, и на нижних ветвях листья расположены в большинстве случаев горизонтально. Наверное, это для того, чтобы полнее использовать энергию излучения, которое попадает на них. Листья на ветвях деревьев в верхних ярусах леса расположены совершенно произвольно. Когда же солнце сильно припекает, они располагаются почти вертикально, чтобы их освещённость была как можно меньше. Листья от перегрева спасает также усиленное испарение. Энергия солнечного излучения превращается в листьях во внутреннюю энергию органических веществ, которые служат пищей как для самих растений, так и для всех живущих на Земле животных организмов.
Энергетические процессы в клетке. Энергия квантов солнечного излучения, использованная зелёными растениями в процессе фотосинтеза, днём превращается в химическую энергию универсального энергетического вещества АТФ — аденозинтрифосфорной кислоты (рис. ниже). Эта энергия в свою очередь во время темновой фазы фотосинтеза используется для синтеза органических соединений, из которых строится тело растения. В организме животного, которое питается растениями, органические соединения окисляются. Выделяющаяся при этом процессе энергия частично превращается в энергию молекул АТФ (55 %), частично во внутреннюю энергию. В процессе жизнедеятельности клетки молекулы АТФ расщепляются. За счёт выделяющейся при этом энергии и происходят все процессы в клетке: передача нервных импульсов, биосинтез веществ, мышечное сокращение, перенос веществ через мембраны и др.
Молекулы АТФ обычно расщепляются до молекул АДФ — аденозиндифосфорной кислоты, — которые не выводятся из организма, а поступают на митохондрии (в клетках животных организмов) или хлоропласты (в клетках растительных организмов) и снова служат для синтеза молекул АТФ. Образование молекул АТФ в хлоропластах можно представить в виде такой схемы:
АДФ + Н3РО4 → АТФ
Процесс этот сложный и многоступенчатый, и его нельзя понимать так, что энергия кванта поглощённого света пошла на то, чтобы присоединить к молекуле АДФ молекулу фосфорной кислоты, аналогично тому как в уравнении образования озона 3O2 + 𝐸 = 2O3 нельзя считать, что энергия поглощённого кванта пошла на то, чтобы три молекулы кислорода объединить в две молекулы озона. Энергия кванта поглощается молекулой кисло-рода, которая при этом распадается на атомы кислорода, причём присоединение атомов кислорода к молекуле O2 сопровождается выделением энергии (образование более сложных соединений из простых — экзотермический процесс).
Схематическое уравнение синтеза глюкозы из углекислого газа (оксид углерода (IV) CO2) и воды также нельзя понимать буквально: энергия поглощённого в процессе фотосинтеза кванта света проходит множество промежуточных звеньев, прежде чем из «бедных» энергией молекул образуется органическое соединение.
Вспомним, как распределяется энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, в клетках животных. 55 % этой энергии аккумулируется в молекулах АТФ, остальные же 45 % рассеиваются в окружающем пространстве. Почему природа пошла по такому нерентабельному пути? Почему клетка «не работает» по принципу тепловой машины? Энергия, выделившаяся при окислении глюкозы, сразу бы превращалась в другие виды энергии, минуя АТФ.
Клетка не может «работать» как тепловая машина, так как для этого она должна иметь слишком высокую температуру. Известно, что КПД тепловой машины равен:
𝜂 = (T1−T2)/T1,
где T1 — абсолютная температура нагревателя, T2 — абсолютная температура холодильника.
Применительно к клетке T1 — температура тела организма, а T2 — температура окружающей его среды. Если считать, что КПД клетки должен быть равен хотя бы 0,3, а температуру окружающей среды принять равной 293 К, то для температуры клетки, т.е. организма, получается 438,5 К или 165,5 °C. При такой температуре белок и другие органические соединения не смогли бы функционировать. А какая потеря энергии была бы вследствие теплообмена организма с окружающей средой! Да и регулировать запас энергии в клетке было бы значительно сложнее…
Чтобы понять, как он регулируется, вспомним, как мы себя ведём после быстрого бега. Мы часто дышим, при этом происходит усиленное потовыделение. Объясним эти явления.
При усиленной мышечной работе во время бега организм резко расходует запас молекул АТФ, который при нормальном состоянии клетки ограничен (составляет около 0,4 % от массы клетки). Чтобы этот запас пополнился, в клетках должно произойти интенсивное окисление глюкозы до оксида углерода (IV) и воды, которые должны быть выведены из организма. Поэтому, чтобы избавиться от оксида углерода (IV) и подать в каждую клетку побольше кислорода, который необходим для интенсивного окисления глюкозы, организм так часто дышит. Нам жарко, и мы покрываемся потом. Это тоже должно быть понятно. Ведь только 55 % энергии, выделившейся при окислении глюкозы, идёт на синтез молекул АТФ, остальные же 45 % идут на нагревание организма. Летом это нагревание ни к чему, а что было бы с нами зимой, если бы образование молекул АТФ не сопровождалось рассеянием энергии?
Попробуем объяснить, почему на морозе, когда он делается чувствительным, люди начинают притопывать и подпрыгивать. Организму надо согреться. При всякой механической работе (в том числе при подпрыгивании) расходуется запас молекул АТФ. Расход молекул АТФ сопровождается их синтезом, а последний — выделением энергии, которая и идёт на нагревание организма.