О времени, пространстве и других вещах - Айзек Азимов

Но было сказано о поверхностной пленке, которая ускоряет процесс взаимодействия водорода и кислорода. Хотелось бы ликвидировать любые намеки на волшебство.

Для этого следует понять, чего катализатор сделать не может.

В 1870 году американский физик Джозайя Уиллард Гиббс разработал законы термодинамики применительно к химическим реакциям. Он показал, что существует некое количество так называемой «свободной энергии», которое всегда уменьшается в спонтанной химической реакции, то есть в реакции, которая протекает без поступления энергии.

Так, после начала реакции соединения водорода и кислорода она продолжается до тех пор, пока имеются газы — реагенты, а в результате образуется вода. Мы объясняем это тем, что свободная энергия воды меньше, чем свободная энергия газовой смеси. И реакцию взаимодействия водорода и кислорода с образованием воды можно сравнить со скольжением вниз по «энергетическому склону».

Но если все сказанное верно, почему водород и кислород не реагируют между собой, находясь в состоянии газовой смеси? Почему они так долго медлят на верхней ступеньке энергетической лестницы и вступают в реакцию только после нагрева?

Очевидно, что до начала реакции молекул кислорода и водорода, каждая из которых состоит из двух атомов, одна из них должна быть разрушена на отдельные атомы. А для этого необходима дополнительная энергия. Это и есть верхушка энергетического склона, по которому еще предстоит спуститься. Своего рода «энергетический пригорок». Количество энергии, необходимое для начала химической реакции, называется энергией активации. Эту концепцию впервые выдвинул в 1889 году шведский химик Сванте Август Аррениус.

Когда молекулы кислорода и водорода сталкиваются при обычной температуре, только незначительное их число обладает достаточной энергией, чтобы при столкновении разбиться. Они вступают в реакцию, в результате чего выделяется энергия для расщепления дополнительных молекул. Но дело в том, что одновременно выделяется такое маленькое количество энергии, что она рассеивается раньше, чем используется. В результате водород и кислород при комнатной температуре не реагируют между собой.

Когда температура поднимается, молекулы начинают двигаться быстрее, значительно большее их количество обладает необходимой энергией, чтобы разбиться или разбить другую молекулу при столкновении. (Другими словами, большее число молекул могут перебраться через «энергетический пригорок».) Постепенно высвобождается все больше энергии, и в какой-то момент температура достигает такого уровня, когда высвобождается больше энергии, чем может быть рассеяно. А температура продолжает повышаться, в результате производится больше энергии, что еще больше повышает температуру, и реакция соединения водорода и кислорода сопровождается взрывом.

В 1894 году русский химик Вильгельм Оствальд доказал, что присутствие катализатора не может изменить взаимоотношения свободной энергии. Он не может инициировать реакцию, которая не начиналась без него, он в состоянии лишь ускорить ее протекание.

Иными словами, водород и кислород взаимодействуют и без присутствия платины, но это почти незаметно. Платиновый катализатор лишь ускоряет соединение. При комнатной температуре вода не может разложиться на кислород и водород (без дополнительного поступления энергии, например электрического тока), потому что это означало бы спонтанное движение вверх по энергетическому склону. Присутствие катализатора не может подтолкнуть такое движение. Если мы когда-нибудь обнаружим катализатор, способный на такое, он уж точно будет волшебным. (Или нам придется пересматривать основные законы термодинамики.)

Но как именно платина ускоряет химическую реакцию? В том, что она ее действительно ускоряет, у нас больше сомнений нет. Что происходит с молекулами в пленке?

Оствальд предложил следующее объяснение (которое было принято и существует по сей день). Катализатор ускоряет химическую реакцию, понижая энергию активации, то есть сглаживает «энергетический пригорок». Тогда при данной температуре больше молекул смогут перебраться через «пригорок» и съехать вниз; скорость реакции возрастает, иногда многократно.

Например, два атома кислорода удерживаются в молекуле довольно большой силой притяжения; расщепить такую молекулу далеко не просто, но необходимо для образования молекулы воды.

Когда атом кислорода соединяется с атомом платины, образуя часть поверхностной пленки, ситуация меняется. Способность молекулы кислорода образовывать связи частично используется для соединения с платиной, частично — для удержания двух атомов кислорода вместе. Таким образом, молекула кислорода оказывается «растянутой».

Если атом водорода ударит в такую растянутую молекулу кислорода в поверхностной пленке, он с большей вероятностью разобьет ее на атомы и вступит во взаимодействие с одним из них, чем при столкновении со свободной молекулой в составе газовой смеси. Поскольку молекула кислорода растянута, ее легче расщепить на атомы, и энергия активации будет ниже.

Можно снова прибегнуть к метафоре. Представьте себе кирпич, лежащий на самой верхушке наклонной плоскости. Он легко съехал бы по ней вниз, но для этого ему надо преодолеть силу трения, которая удерживает его на месте в противоположность силе тяжести. В этом примере сила трения аналогична силе, удерживающей вместе атомы кислорода.

Чтобы преодолеть трение, кирпич следует подтолкнуть (сообщить ему энергию активации). Тогда он соскользнет вниз.

Попробуем применить «поверхностный катализатор». Например, поверхность скольжения можно покрыть воском. Если поместить кирпич на такую наклонную плоскость, будет достаточно легкого толчка, чтобы он начал двигаться вниз. Возможно, он съедет вниз и без нашей помощи.

Покрывая воском наклонную плоскость, мы не увеличили силу тяжести и не добавили энергию системе. Мы только уменьшили силу трения (сгладили «энергетический пригорок»), в результате чего кирпич скользит по плоскости легче и быстрее, чем при отсутствии воска.

Думаю, теперь вы убедились, что волшебный туман при свете дня рассеивается, и чудесное слово катализатор лишается своего магического ореола. Именно катализ является основой любого химического производства, а если вспомнить об энзимах, то и основой жизни.

По-моему, ни один разумный катализатор, понимающий это, не пожалеет, что его больше не считают волшебником.

Глава 17

Медленно движущийся палец

Увы, смерть всегда присутствует где-то рядом с нами. Не так давно умер наш маленький попугай. Насколько нам было известно, ему было всего пять лег, и он всегда был окружен заботой и любовью. Мы хорошо кормили его, не забывали наливать свежую воду, вовремя чистили клетку, выпускали полетать по дому, учили говорить короткие слова, не возражали, если он садился к нам на плечи или клевал пищу из наших тарелок. Иными словами, мы позволяли ему думать, что он является одним из нас, человеческих существ.

Но, к сожалению, его жизненный цикл все-таки оставался жизненным циклом попугая. В последний год он постепенно становился вялым и угрюмым, все реже вспоминал заученные им короткие и не слишком приличные слова, больше ходил, чем летал. В конце концов он умер. И конечно, то же самое происходит и со мной.

Эта мысль меня приводит в чрезвычайное раздражение. Каждый год я побиваю собственный рекорд и поднимаюсь на более высокую ступеньку (в части возраста). И тот факт, что все без исключения живые существа занимаются тем же самым, является слабым утешением.

Я не хочу стареть и всеми силами противлюсь этому. В свое время я был очень умным ребенком, вундеркиндом: научился читать в четыре года, в пятнадцать поступил в колледж, в восемнадцать увидел свою первую публикацию и так далее. Я пользовался неизменным вниманием окружающих и получал от этого искреннее удовольствие.

Но за все надо платить. Молодой, изящный, обладавший искрящимся интеллектом и неиссякаемым запасом энергии вундеркинд как-то очень быстро превратился в вялого, обрюзгшего мужчину средних лет, слегка туповатого. По людям, чья молодость прошла в блеске славы, возраст бьет сильнее…

И теперь, к сожалению, все чаще случается следующее: приходит ко мне тощий, нескладный детина с покрытой щетиной физиономией и басит: «Я читаю ваши книги с тех пор, как научился читать. Я собрал все ваши романы, написанные еще до того, как я научился читать, и прочитал их тоже». И мне сразу очень хочется встретить такие откровения прямым ударом справа в челюсть. Скорее всего, я именно так и поступил бы, если был бы уверен, что он испытывает уважение к моему возрасту и не даст сдачи.

Остается только одно: найти в этом положительную сторону, если она, конечно, существует…