Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Формулы можно использовать для описания химических реакций более быстрым и точным образом, чем в словесном рассказе. Например: уголь, представляющий собой практически чистый углерод, при горении вступает в соединение с содержащимся в воздухе кислородом, в результате чего получается углекислота. Химическая реакция в данном случае записывается так:

С + O₂ → СO₂.

Это можно перевести как «углерод плюс кислород равно углекислота», и является прекрасным примером химического выражения.

Таким же образом, водород вступает в соединение с кислородом, в результате чего получается вода. Это можно записать таким образом:

Н₂ + O₂ → Н₂O.

Рис. 7. Уравновешенные химические выражения

Но химиков такая запись не может полностью удовлетворить, и вот почему.

В первой из двух вышеприведенных реакций, где речь шла о сочетании углерода и кислорода, видно, что ни один атом не «остался без дела», все они закономерно перешли из левой части уравнения в правую. У нас изначально имеется 1 атом углерода (представляющий собой уголь) и 2 атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), а в результате мы получаем 1 молекулу углекислоты, в которой содержатся и тот самый атом углерода, и те самые 2 атома кислорода.

Но вот во втором выражении, где речь идет о соединении водорода и кислорода, дело обстоит иначе. Здесь у нас с самого начала имеется 2 атома водорода (представляющие собой молекулу водорода) и 2 атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), но в результате мы получаем молекулу воды, включающую в себя оба атома водорода, но при этом лишь один из двух атомов кислорода. Такая «неуравновешенная» запись процесса может ввести в заблуждение, поскольку позволяет предположить, что 1 атом кислорода просто исчез, чего на самом деле, понятно, случиться не могло. Более того, для того, чтобы использовать такие выражения для количественного расчета, они должны быть уравновешенными (рис. 7).

Для того чтобы уравновесить выражение, надо указать соответствующее количество для каждого участвующего в реакции элемента. Вот как выглядит уравновешенное выражение для соединения водорода и кислорода:

2Н₂ + O₂ → 2Н₂O.

В этом случае мы изначально берем 4 атома водорода и 2 атома кислорода и в результате имеем те же 4 атома водорода и 2 атома кислорода. Все сходится!

Конечно, можно написать

4Н₂ + 2O₂ → 4Н₂O

или

12Н₂ + 60₂ → 12Н₂O

и, таким образом, тоже уравновесить выражение, но принято все же использовать наименьшую цифру из возможных.

Впрочем, если и принято использовать только целые числа в химических выражениях, то это правило не является универсальным. Когда речь идет о вырабатываемой в ходе химической реакции энергии (а именно об этом я и собираюсь рассказывать), часто удобнее бывает обозначать единый атом кислорода как ¹/₂O₂. Это не совсем хорошо, поскольку может навести на мысль о том, что «полумолекулы» существуют на самом деле, а это не так. Однако с таким отображением удобнее вести энергетические расчеты, так что выражение для соединения водорода и кислорода можно записать и так:

H₂ + ¹/₂O₂ → H₂O.

В этом выражении мы изначально имеем 2 атома водорода и 1 атом кислорода (полмолекулы), а в результате получаем 2 атома водорода и 1 атом кислорода, так что выражение получается сбалансированным.

Можно привести пример подобного выражения и без участия кислорода. Водород и хлор вместе могут образовывать хлороводород, а натрий и хлор — хлорид натрия (это привычная нам поваренная соль). Эти процессы описываются такими выражениями:

Н₂ + Cl₂ → 2НСl,

2Na + Cl₂ → 2NaCl.

Очевидно, что использование целых чисел — простейший способ записать выражения в уравновешенном виде.

Итак, ход химических реакций благодаря применению специальных обозначений стал нам понятнее, и теперь мы можем, как я уже говорил, использовать эти выражения для различного рода вычислений.

Возьмем, к примеру, выражение, представляющее соединение водорода и хлора:

Н₂ + Cl₂ → 2НСl.

Оно показывает, что в ходе химической реакции одна молекула водорода реагирует с 1 молекулой хлора для создания 2 молекул хлороводорода. В реакцию вступают равные количества молекул водорода и хлора — один к одному, два к двум, десять к десяти, миллиард к миллиарду. Однако это не значит, что и массы вступающих в реакцию газов будут одинаковы, поскольку одна молекула хлора гораздо тяжелее, чем одна молекула водорода; соответственно и масса участвующего в реакции хлора будет больше, чем реакция участвующего в ней же водорода.

Поскольку атомный вес водорода равен 1, а хлора — 35¹/₂, то молекулярный вес Н₂ равен 1 + 1, то есть 2, а молекулярный вес Cl₂ равен 35¹/₂ + 35¹/₂, то есть 71. Вне зависимости от того, сколько пар молекул — по одной молекуле хлора и водорода — вступают в реакцию, отношение их масс всегда будет составлять 2:71. Так, две унции водорода вступят в реакцию с 71 унцией хлора; два фунта водорода — с 71 фунтом хлора; две тонны водорода — с 71 тонной хлора и так далее.