Рис. 40.
Первая связь принадлежит к типу «затычка и дыра», вторая — к типу — «электронные близнецы». Поэтому энергия, необходимая для дальнейшего расщепления O2, поставляется самим процессом горения. Таким образом, при горении угля энергия выделяется в виде тепла, хотя часть энергии, освобождаемой на втором этапе, идет на инициирование дальнейших реакций. Полезное тепло равно избытку энергии, выделяющейся во второй стадии, над энергией, потребной для первой.
Раз начавшись, образование двуокиси углерода продолжается до тех пор, пока не израсходуется весь углерод. Выделяется большое количество тепла; чистый выигрыш энергии составляет 0,67 эв на каждую молекулу образовавшейся двуокиси углерода. Нагревание столь сильно, что атомы и молекулы начинают испускать свет. Пламя, которое мы видим при горении угля, состоит из молекул СO2 и атомов углерода, выброшенных в результате сильного нагрева и испускающих характеристическое излучение. Поэтому пламя не вид вещества, как некогда полагали; это накаленная материя, полученная в химической реакции, в которой выделяется очень много энергии.
Горение угля — это простейшая форма выделения химической энергии. Аналогичный процесс происходит и при горении метана или других углеводородов. И здесь требуется начальное тепло, чтобы расщепить не только молекулы O2, но и молекулы угле водорода. После этого углерод соединяется с кислородом и дает двуокись углерода, а водород соединяется с кислородом и дает воду. Химическая реакция горения метана показана на рис. 41.
Рис. 41.
Так как в СН4 и O2 связи принадлежат к типу «электронных близнецов», а в СO2, Н2O — к типу «затычка и дыра», чистый выигрыш энергии в этой реакции очень велик. Поэтому метан и другие углеводороды дают сильное пламя и много тепла. Однако в отличие от горения угля, получается не только СO2, но и вода. В пламени содержится вместе с раскаленным СO2 водяной пар. Если подержать холодный кусок стекла в пламени свечи или горящего дерева, то мы увидим на стекле конденсированный водяной пар, которого не получится в пламени чистого угля.
Таким же образом любая молекула, состоящая из углерода, водорода и кислорода, может гореть, т. е. превращаться в углекислый газ и водяной пар, соединяясь с кислородом воздуха. Такие молекулы, как молекулы спирта или сахара, нуждаются в меньшем количестве кислорода для горения, так как в них самих содержится известное количество кислорода.
Рис. 42. Горение углерода. Слева мы видим один атом углерода (квадратик), одну молекулу кислорода (два кружка, соединенные связью типа «электронные близнецы») и три другие молекулы, символизированные крестиками. В середине тепловое движение молекулы «крестика» разорвало связь в молекуле кислорода. Справа углерод и два кислородных атома соединились в молекулу СО2. Освободившаяся при этом энергия частично переходит в тепловую энергию молекул «крестиков», частично в энергию колебаний молекулы СО2, что показано «ореолом».
Химические реакции, производящие энергию, всегда должны начинаться с превращения молекул со слабыми связями в молекулы с прочными связями. Разница в энергиях сильной и слабой связи высвобождается. СO2 и вода — это молекулы, с прочными связями; то же относится и к большинству молекул, в которых атомы связаны с кислородом. Однако молекулы, содержащие углерод и водород, связаны слабо, они легко разрушаются и рекомбинируют, могут образовывать длинные цепи и способны собираться в сложные структуры. Если их слабые связи превращаются в сильные связи с кислородом в результате какого-либо сложного процесса, то выделяется энергия. Благодаря этим свойствам они играют важную роль в живой материи.
Агрегатные состояния
Химическая связь держит атомы связанными в молекулы. Существуют ли силы между молекулами? Да, они существуют на самом деле, но они слабее химической связи. Когда две молекулы сближаются, электронные конфигурации в каждой из них стремятся колебаться в унисон. Благодаря этому возникает притяжение (так называемые ван-дер-ваальсовы силы). Его сила зависит от типа движения электрона: одни молекулы притягиваются сильно, другие — очень слабо. Эта межмолекулярная сила другим характерным образом проявляет особые свойства электронных конфигураций.
Межмолекулярные силы держат молекулы близко друг от друга, и поэтому они ответственны за агрегацию молекул, наблюдаемую в жидком или твердом веществе. В этих веществах молекулы слипаются, тогда как в газах каждая движется сама по себе. Почему же молекулы иногда собираются в твердые тела, иногда в жидкости, а иногда, если вещество газообразно, совсем не собираются? Агрегатное состояние сильно зависит от температуры. При очень низких температурах почти все вещества становятся твердыми, при очень высоких все переходят в газообразное состояние, а при известных промежуточных температурах они жидки. Значения температур, при которых происходят эти превращения (точка плавления, точка кипения), зависят от силы притяжения между молекулами.
При очень низких температурах тепловое движение весьма незначительно, и поэтому молекулы выстраиваются в строго правильные ряды и удерживаются в таком виде межмолекулярными силами. Получается твердое тело. Правильное расположение молекул часто эффектно проявляется в кристаллах. В гл. IV мы видели, как ионный микроскоп показывает правильное, упорядоченное расположение атомов вольфрама. Кристаллы — это твердые тела, в которых правильное расположение атомов сохраняется в больших объемах и непосредственно проявляется в виде прямых ребер и правильно расположенных граней и вершин. Так как при этом порядок в малом увеличивается в огромное число раз, кристаллы дают нам непосредственную картину симметрии самых малых единиц. Если попытаться деформировать кристалл, изгибая или ломая его, чувствуется сопротивление — при перемене взаимного расположения атомов надо преодолеть межмолекулярные силы, которые удерживают атомы в определенных «правильных» местах.
Молекулы и атомы в твердых телах столь близки, что они часто сливаются; соседние электронные конфигурации при этом перекрываются так сильно, что все твердое вещество следует рассматривать как одну большую молекулу. Для металлов, например, характерно, что внешние электроны атомов образуют конфигурации, простирающиеся по всему куску металла. Поэтому металлы служат хорошими проводниками электричества; электроны свободно переходят от одного атома к другому.
При более высоких температурах тепловое движение усиливается и разрушает упорядоченное расположение молекул или атомов в твердом теле. Молекулярные силы все еще держат молекулы плотно упакованными, но уже не могут заставить их располагаться упорядоченным образом. Поэтому в таких телах сопротивление деформированию или изгибанию отсутствует. Однако молекулы все еще остаются друг возле друга, они образуют жидкость. Переход от твердого тела к жидкости зависит от силы межмолекулярного взаимодействия. Если оно велико, как в горной породе или в металле, то нужна высокая температура, чтобы преодолеть связи, удерживающие молекулы в правильном порядке; если же оно мало, как в воде или воздухе, переход в другое агрегатное состояние происходит при меньших температурах.
Если температура становится выше точки плавления, то тепловое движение усиливается настолько, что преодолевает не только упорядочивающее, но и связывающее действие межмолекулярных сил. Тогда молекулы отрываются друг от друга вследствие теплового движения и разлетаются по всем направлениям, сталкиваясь между собой и налетая на стенки сосуда. Они больше не упакованы плотно, а распределены по всему доступному объему. Тогда мы получаем уже газ. Температура, при которой образуется газ, также зависит от сил между молекулами. В воздухе эти силы столь малы, что не могут удерживать молекулы вместе уже при обычных температурах. В некоторых металлах и горных породах они так велики, что для перехода этих веществ в газообразные состояния нужна температура, примерно равная 2000 °C.