Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Вернемся же к нашей смеси водорода с хлором, чтобы посмотреть 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 hν, то мы можем записать это так:

hν + Cl₂ → Сl + Сl.

Каждый высвобожденный таким образом атом хлора может тут же вступить в реакцию с молекулой водорода для образования хлороводорода.

Но если бы это было все, то действием каждого кванта становилось бы образование двух молекул хлороводорода и общее количество квантов, необходимое для превращения смеси двух газов в хлороводород, равнялось бы количеству имеющихся в смеси молекул хлора.

На самом же деле излучения требуется гораздо меньше. Тщательное изменение количества поставляемой энергии и образуемого хлороводорода показало, что подача одного кванта энергии может привести к образованию от 10 000 до 1 000 000 молекул хлороводорода.

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 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 хлороводорода, но и свободный атом водорода:

Сl + Н₂ → HCl + Н.

Этот свободный атом водорода, в свою очередь, вступает в реакцию с молекулой хлора, в результате которой образуется опять один свободный атом хлора:

Н + Cl₂ → HCl + Сl.

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 хлороводорода.

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 хлороводород 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 — скажем, водой 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 → H₂O.

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.