Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Удобнее всего, конечно, рассматривать, как и принято в химической науке, 2 грамма водорода и 71 грамм хлора.

Еще до того, как были установлены подробности касательно атомного строения молекул, химики уже выяснили путем точных измерений, что 2 грамма водорода вступают в реакцию с 71 граммом хлора. И только после того, как в результате долгих наблюдений они поняли, что хлор с водородом соединяются 1:1, был сделан вывод о том, что молекула хлора в 35¹/₂ раза тяжелее молекулы водорода и что атом хлора в 35У₂ раза тяжелее атома водорода. Именно отношение весов в сочетаниях и позволило впервые установить значения атомных весов различных химических элементов.

Впоследствии оказалось, что количество молекул водорода в 2 граммах этого вещества равняется примерно 6O2 000 000 000 000 000 000 000.

Это огромное число принято называть «числом Авогадро», поскольку установлено оно было в ходе исследований, которые проводил итальянский химик Амадео Авогадро примерно в 1810 году. Число Авогадро обычно обозначают N, и, поскольку это гораздо проще, чем писать его целиком, именно так я и буду его в дальнейшем приводить.

Таким образом, можно сказать, что N молекул Н₂ весят 2 грамма. Поскольку отдельная молекула Cl₂ в 35¹/₂ раза массивнее, чем отдельная молекула Н₂, то N молекул Cl₂ тоже должны весить в 35¹/₂ раза больше, чем N молекул Н₂. Поэтому вес N молекул Cl₂ должен составлять 2 х 35¹/₂, то есть 71 грамм.

Подобные рассуждения справедливы для любых молекул. Вес N молекул любого вещества относится к весу N молекул водорода как вес одной молекулы этого вещества к весу N молекул водорода.

Число N было выбрано по той причине, что вес N молекул водорода равняется молекулярному весу водорода в граммах. То есть молекулярный вес водорода — 2, а вес N молекул водорода — 2 грамма. И, согласно описанным в предыдущем абзаце пропорциям, N молекул любого вещества будут иметь вес равный молекулярному весу этого вещества, выраженному в граммах. Как уже быkо установлено, N молекул Cl₂ весит 71 грамм, а молекулярный вес хлора — 71.

Поскольку молекулярный вес воды, H₂O, равен 1 + 1 + 16, то есть 18, то мы сразу же можем сказать, что N молекул воды будут весить 18 граммов, а N молекул углекислоты (молекулярный вес которой — 44) будут весить 44 грамма.

Вес равный молекулярному весу вещества, только в граммах, называют «грамм-молекулярным», или «молярным», а количество вещества в таком случае получило название «моль». Так что N молекул любого вещества — это 1 моль этого вещества. Один моль водорода весит 2 грамма, 1 моль воды — 18 граммов, 1 моль углекислоты — 44 грамма и так далее. Веса во всех этих случаях различны, но количество вещества определяется не весом, а количеством молекул.

Естественно, все вышеизложенное справедливо и для отдельных атомов. Так, N атомов углерода (С) весят 12 граммов, а N атомов серы (S) весят 32 грамма. Атомный вес, выраженный в граммах, правильнее было бы называть «грамм-атомным» весом. Однако простоты ради я буду использовать термин «моль» применительно и к грамм-молекулярному, и к грамм-атомному весу.

Таким образом, химические выражения могут трактоваться двояко. Они описывают как поведение одного атома или одной молекулы, так и поведение N атомов или молекул. К примеру, выражение

2Н₂ + O₂ → 2H₂O

можно читать как «две молекулы водорода плюс одна молекула кислорода переходят в две молекулы воды», а можно как «два моля водорода плюс один моль кислорода переходят в два моля воды». Поскольку молекулярные веса водорода, кислорода и воды составляют 2,32 и 18, то 1 моль каждого из них весит соответственно 2 грамма, 32 грамма и 18 граммов. Так что вышеприведенное выражение можно прочесть и так: «4 грамма водорода плюс 32 грамма кислорода переходят в 36 граммов воды».

Как видно, закон сохранения материи при этом не нарушается. Изначально мы имеем 36 граммов водорода и кислорода, а в итоге — 36 граммов воды. Это справедливо только тогда, когда выражение записано в уравновешенной форме.

Еще раз: видя перед собой выражение типа

С + O₂ → CO₂,

мы можем прочесть его трояко:

а) «один атом углерода плюс одна молекула кислорода переходят в одну молекулу углекислоты»;

б) «один моль углерода плюс один моль кислорода переходят в один моль углекислоты»;

в) «12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода переходят в 44 грамма углекислоты».

Вот мы и освоили язык химических формул в том объеме, который будет необходим нам для рассуждений об изменении энергетического содержания веществ в ходе химических реакций аналогичных (хочется верить) тем, что происходят в организме человека.

Глава 8. ТЕПЛО И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Способа напрямую измерить химическую энергию не существует, но тепловую энергию измерить несложно. Предположим, что некоторую реакцию проводят в замкнутой камере, запуская ее, скажем, через электрический провод. Со всех сторон камера омывается определенным количеством воды, которая тщательно перемешивается. Вся система «камера плюс вода» изолирована во избежание теплообмена с окружающей средой.