Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Фарадей предположил, что кислород с водородом образовывают пленку на поверхности платины. В этой пленке оба вещества гораздо плотнее примыкают друг к другу, чем в исходной смеси газов. В общем, можно сказать, что эффект катализатора в данном случае сходен с эффектом нагнетания давления, ведь известно, что повышение давления в смеси газов зачастую ускоряет их реакцию. Затем Фарадею осталось указать, что угарный газ, даже в малых количествах, тоже склонен образовывать пленку на платине, но поскольку он, в отличие от водорода и кислорода, никуда с нее не девается, то в итоге он полностью закрывает платину и от того и от другого, на чем катализ и заканчивается.
Представление о том, что в некоторых катализируемых реакциях ведущая роль принадлежит поверхности катализатора, до сих пор не опровергнуто, оно лишь периодически уточняется. Так, само по себе наличие газовой пленки на такой поверхности ничего не объясняет, поскольку уже после Фарадея выяснилось, что высокое давление, казалось бы равносильное по механизму действия катализатору, не приводит к столь же резкому ускорению реакции.
В 1916 году американский химик Ирвинг Ленгмюр видоизменил теорию Фарадея и внес в нее предположение о том, что молекулы газовой пленки удерживаются на поверхности настоящими химическими связями с атомами платины.
Крайние атомы платины, находящиеся на поверхности, не со всех сторон окружены другими атомами платины, так что их способность образовывать химические связи задействована не полностью. В сторону открытого пространства атомы платины (Pt) способны образовывать связи с чужими атомами. Соответственно тот факт, что платиновый порошок имеет гораздо более выраженные каталитические свойства, чем просто кусок платины, можно объяснить тем, что на единицу веса порошок имеет гораздо большую площадь поверхности и гораздо больше атомов могут вступать в реакцию с образованием химических связей.
Так что можно рассматривать платину как вещество, все-таки вступающее в полноценную реакцию с кислородом. Все атомы с поверхности платины, вцепляясь в атомы кислорода, образовывают некое подобие «продукта присоединения» — оксид платины. Энергия активации для образования этого оксида крайне мала, как и энергия активации следующей реакции — соединения водорода с кислородом из этого оксида (в отличие от соединения с кислородом из его двухатомных молекул, составляющих газ). Соединение происходит очень быстро, поскольку кинетической энергии молекул газа при комнатной температуре более чем достаточно для того, чтобы предоставить необходимую энергию активации.
После того как соединение произошло, атом платины оказывается соединенным с молекулой воды. Но связь между ним и молекулой достаточно слаба, и бомбардировка молекулами газа легко разрывает ее. Атом платины, таким образом, высвобождается для образования новой связи со следующим атомом кислорода.
«Отравление» поверхности платины угарным газом происходит по причине способности атома платины связываться как с молекулой кислорода, так и с молекулой угарного газа. Но угарный газ, в отличие от кислорода, присоединившись к платине, не вступает в реакцию с водородом (как и ни с чем другим, что бы ни присутствовало в системе) для образования слабо удерживаемой молекулы. Он крепко застревает на своем месте. Каждый атом платины, занятый молекулой угарного газа, так и остается занятым, и так происходит со всеми атомами поверхности, пока платина полностью не утратит свои каталитические свойства.
Даже поверхностный катализ не отменяет и не изменяет основных законов энергообмена в химических реакциях. Он может лишь перенаправить ход реакции таким образом, чтобы она проходила через промежуточные реакции с низким уровнем энергии активации, и ускорить тем самым ход реакции в целом, но катализ не влияет на общие изменения энергии в ходе реакции, и в принципе не может этого сделать.
В частности, это значит, что катализатор не может обратить спонтанную реакцию вспять. Если водород спонтанно соединяется с кислородом, образовывая при этом воду, то катализатор может ускорить этот процесс за счет снижения уровня энергии активации. Но никакой катализатор не может вызывать массовое разложение воды на водород и кислород при комнатной температуре без приложения дополнительной энергии.
Далее, в любой обратимой реакции положение точки равновесия (как вы помните — это точка, в которой уровень свободной энергии минимален) никак не смещается по причине присутствия катализатора. Катализатор может лишь ускорять реакцию в обоих направлениях и способствовать скорейшему достижению точки равновесия. Однако изменить значение самой точки равновесия катализатор не способен ни на йоту.
Теперь, разобравшись с катализаторами и обретя необходимый багаж базовых знаний, мы можем перейти наконец к живой материи. Во второй части книги я постараюсь показать, насколько принципы справедливые и незыблемые для неодушевленного мира применимы к процессам, происходящим в человеческом организме.
Часть вторая.
ОРГАНИЗМ
Глава 13.
И СНОВА О ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ МАТЕРИИ
Все открытия и выводы о сохранении энергии и возрастании энтропии, о свободной энергии и катализе были получены на основе изучения неодушевленного мира. Всю первую половину книги я описывал и объяснял эти механизмы лишь для того, чтобы теперь с их помощью попытаться объяснить работу живых клеток.
Но для этого надо сначала удостовериться, что все законы, справедливые для явлений неживой природы, справедливы и для процессов живой ткани. А так ли это? Свойства камня и ящерицы — определяются ли они одними и теми же законами или все-таки разными?
На протяжении всей истории человечества сама постановка такого вопроса казалась делом странным, и очевидно было, что ответ должен заключаться в гордом «ни в коем случае!». Я только что потратил множество страниц на тщательные поиски оснований, на которых можно было бы провести четкую границу между живой и неживой природой, и оказалось, что это не так-то просто, но еще сто лет назад о таких сложностях никто и не подозревал. Вместо этого считалось, что живая материя принципиально, безоговорочно и явно отличается от неживой. Право же, каким дураком надо быть, чтобы не видеть принципиальной разницы между камнем и ящерицей.
И действительно, вполне естественным кажется четкое, без сомнений и оговорок, разделение всех объектов во Вселенной на три категории: мир неживой, состоящий из воды, земли, гор, песка и воздуха; мир растительный, к которому принадлежат объекты, рождающиеся, живущие и умирающие, но при этом укорененные в почве и не умеющие передвигаться самостоятельно; и мир животный, к которому принадлежат объекты, рождающиеся, живущие и умирающие, но при этом обладающие способностью передвижения. Это необходимо учитывать, прежде чем мы начнем игру в угадайку и будем пытаться определить, «животное это, растение или минерал».
Стоит немного задуматься, и становится ясно, что различие между животными и растениями гораздо меньше, чем между ними обоими и минералами. Например, человек может употреблять в пищу как животных, так и растения. Когда же в XVII веке был изобретен микроскоп, то с обнаружением микроорганизмов граница между этими двумя категориями оказалась еще более размытой, поскольку многие микроорганизмы непонятно было куда отнести.
Поэтому более логичным казалось разделение надвое: на живую природу (куда входят и животные, и растения) и неживую.
Таким образом, мир кажется совершенно четко разделенным на категории объектов с абсолютно различными свойствами, и неизбежно было предположить, что для каждой категории существуют свои законы природы. Даже в XIX веке существование различия между живой и неживой материей и между законами, управляющими бытием той и другой, казалось само собой разумеющимся.
Такие представления распространялись не только на сами объекты, такие как камень или ящерица, но и на составляющие их химические вещества.
Раскрошите камень, и получите недвижимую инертную пыль и крошку. Оставьте их на несколько лет, и с ними не произойдет никаких перемен. Размешайте каменную пыль в воде, потом выпарите воду — каменная пыль снова станет прежней. Нагрейте каменную крошку докрасна, потом остудите ее — и снова никаких следов.
С другой стороны, если нашинковать ящерицу, то получится куча мягкого кровавого мяса, которое за короткий промежуток времени испортится, начнет вонять и в нем заведутся личинки мух. Нагрейте мясо, и оно зашипит, обуглится и изменится до неузнаваемости. И сколько его потом ни охлаждай, прежним оно уже не станет.
Эти разительные отличия в свойствах наблюдаются и если рассматривать чистое химическое вещество, выделив его из общей массы. Из камня можно извлечь чистый силикат алюминия или чистую медь. Из живого организма можно извлечь чистый сахар или чистое растительное масло. И силикат алюминия, и медь можно нагревать, потом остужать, и никаких следов этих процессов на веществе не останется. Если же нагреть сахар — он обуглится, если нагреть масло — оно загорится; и в том и в другом случае обратно в сахар и масло эти вещества уже не превратятся.
