home | login | register | DMCA | contacts | help |      
mobile | donate | ВЕСЕЛКА

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


my bookshelf | genres | recommend | rating of books | rating of authors | reviews | new | форум | collections | читалки | авторам | add
fantasy
space fantasy
fantasy is horrors
heroic
prose
  military
  child
  russian
detective
  action
  child
  ironical
  historical
  political
western
adventure
adventure (child)
child's stories
love
religion
antique
Scientific literature
biography
business
home pets
animals
art
history
computers
linguistics
mathematics
religion
home_garden
sport
technique
publicism
philosophy
chemistry
close

реклама - advertisement






Таблица 6


Асимметрия жизни. От секрета научных прозрений до проблемы перенаселения

Если мы посмотрим только на три последние строчки, то увидим, что температура кипения возрастает с возрастанием молекулярной массы. Но вода сюда не подходит! Из трех последних строчек следует, что температура кипения воды должна быть около 200°К или -73°С. Только в самые холодные полярные дни вода смогла бы превратиться из пара в жидкость, а ее температура кипения примерно на 170° выше, чем следовало бы. Действительно, горячая вода.

Есть еще два соединения, которые, как и вода, в этом отношении не вписываются в свои семейства.

Атом водорода соединяется с одним атомом любого из галогенов. Мы можем получить фтороводород (HF), хлороводород (НСl), бромоводород (НВr) и йодоводород (HI). Температуры кипения трех последних по абсолютной шкале соответственно: 188,2, 206,5 и 237,8 °К. Можно ожидать, что температура кипения HF будет около 170°, но это не так. Температура кипения фтороводорода равна 292,6°, то есть «перебор» примерно в 120°.

Три атома водорода могут также соединяться с одним атомом элементов из семейства, включающего азот (N), фосфор (Р), мышьяк (As) и сурьму (Sb). Соединения фосфин (РН3), арсин (AsH3) и стибин (SbH3) имеют температуры кипения 185,5, 218 и 256°. Отсюда следует, что первый член этой группы — аммиак (NH3) — должен бы иметь температуру кипения около 150°, и опять наши ожидания не оправдываются. Его температура кипения 239,8°, то есть «перебор» — около 90°.

Тогда что же общего у этих соединений со слишком высокой температурой кипения: воды (Н2O), аммиака (NH3) и фтороводорода (HF)?

1) Все три имеют молекулы, состоящие из атомов водорода и одного другого сорта атомов.

2) Эти другие атомы — кислород, азот и фтор — как оказалось, три самых электроотрицательных атома, то есть атомы, способные выхватывать электроны из других атомов.

Атом фтора, самый электроотрицательный из всех, может, например, отобрать электрон и у атома натрия, стать его единственным владельцем и начисто лишить атом натрия одного электрона.

Атом водорода не такая легкая добыча. Он держится за свой единственный электрон гораздо крепче, чем атом натрия за свой отдаленный электрон. Атом фтора не отбирает электрон у атома водорода, но захватывает его львиную долю. Электрон, так сказать, оказывается ближе к центру атома фтора, чем к центру атома водорода.

Это означает, что если провести воображаемую линию через центр молекулы фтороводорода между атомом водорода и атомом фтора, то у стороны фтора, имеющей более половины электронов, будет маленький отрицательный электрический заряд, а у стороны водорода — равный ему маленький положительный заряд.

Почти то же самое можно сказать о молекуле воды и молекуле аммиака. В каждом случае сторона атомов водорода несет маленький положительный заряд, а сторона атома кислорода (или азота) несет маленький отрицательный заряд.

Все три молекулы — полярные молекулы. То есть они имеют полюса, на которых сосредоточен электрический заряд.

Этого нет, например, в H2S, который по структуре очень похож на Н2O. Сера просто не так электроотрицательна, как кислород, и не может отбирать у атомов водорода электронов больше, чем ей положено. Сероводород поэтому не очень полярен, как и хлороводород или фосфин.

Если теперь мы рассмотрим полярные молекулы — с положительно заряженным и отрицательно заряженным концами, то неизбежно подумаем о возможности взаимного притяжения молекул. Что, если положительно заряженный конец одной молекулы окажется поблизости от отрицательно заряженного конца другой молекулы того же сорта? Не слипнутся ли они хотя бы немного?

Да, слипнутся, особенно потому, что положительно заряженный конец принадлежит атому водорода. Отчего? Оттого что атом водорода самый маленький из всех атомов и его центр может оказаться самым близким. Сила притяжения между двумя противоположно заряженными объектами меняется обратно пропорционально расстоянию между ними. Чем больше они сблизятся, тем сильнее притяжение.

Следовательно, молекула воды, молекула фтороводорода и молекула аммиака — «липкие молекулы».

Они имеют тенденцию выстраиваться положительным концом к отрицательному концу, и, чтобы оторвать их друг от друга, требуются значительно более высокие температуры, чем если бы молекулы были неполярными, то есть если бы заряды не концентрировались на противоположных концах и атомы удерживались бы только силами Ван дер Ваальса, упомянутыми в предыдущей главе21.

Обычно молекулы воды рисуют так: атом водорода соединяется с атомом кислорода собственной молекулы черточкой, представляющей простую химическую связь, а связь с атомом кислорода соседней молекулы рисуют более длинной пунктирной черточкой, указывающей электромагнитное притяжение противоположных зарядов.

Поскольку атом водорода оказывается между двумя атомами кислорода, одним собственным и одним из соседней молекулы (или похожим образом между двумя атомами фтора, между двумя атомами азота, между атомом азота и атомом кислорода и так далее), такую ситуацию обычно называют «водородной связью».

Водородная связь слабее обычной химической связи в двадцать раз, но ее достаточно для того, чтобы добавить 170° к температуре, требуемой для разрыва молекул и приведения жидкости к кипению. Молекулы воды достаточно липкие, благодаря водородным связям, и вода кипит не при 200°К, а при 373°К. В сочетании с тем, что водород и кислород — два самых распространенных во Вселенной атома, формирующих соединения, это позволяет жидким океанам существовать на планете с земной температурой.

Более того, именно из-за липкости молекул вода может поглощать так много тепла при повышении температуры на каждый градус или отдавать так много тепла при падении температуры на каждый градус. Поэтому мы говорим, что вода имеет необычайно высокую «теплоемкость».

Соответственно, благодаря необходимости разрывать все эти водородные связи, необычайно высоко поглощение тепла при температурах таяния или кипения. То есть требуется гораздо больше тепла, чем можно было бы ожидать, чтобы превратить лед при 273 °К в воду той же температуры или превратить воду при 373 °К в пар той же температуры. И наоборот, необычайно высокое количество тепла выделяется, когда пар конденсируется в воду или вода замерзает в лед. (Другими словами, вода имеет необычайно высокую «скрытую теплоту плавления и парообразования».)

Это больше чем просто статистика. Вода ведет себя как огромная теплогубка. Она забирает и отдает больше тепла, чем любое другое вещество при одном и том же изменении температуры, поэтому океан нагревается гораздо медленнее, чем суша, под лучами солнца и охлаждается гораздо медленнее в отсутствие солнца.

Таким образом, Земля с огромным водным океаном на поверхности имеет гораздо более ровную температуру, чем имела бы без него. Летом лениво нагревающийся океан работает как охладитель; зимой медленно остывающий океан ведет себя как нагреватель. И если вы хотите представить, что это означает на практике, сравните перепады температур день-ночь и лето-зима в земных регионах, значительно удаленных от океана (Северная Дакота), с участками суши, со всех сторон окруженными океаном (Ирландия).

Поскольку при любой температуре испаряющаяся вода поглощает больше тепла на грамм образующегося пара, чем любая другая распространенная жидкость, вода является особенно дешевым и эффективным кондиционером воздуха.

Пот — почти чистая вода, и при его испарении большое количество тепла должно поглощаться из ближайшего к этой воде объекта, а это кожа, на которой пот остается. Поэтому тело охлаждается.

Теперь поговорим о растворимости. В таком веществе, как хлористый натрий (обычная соль), атомы натрия отдают по электрону атомам хлора, а те, в свою очередь, приобретают по электрону. Атомы натрия несут единицу положительного заряда, а атомы хлора — единицу отрицательного заряда и потому называются ионами. Две группы ионов сцепляются благодаря притяжению противоположных зарядов22.

Когда частицы соли оказываются в воде, положительные и отрицательные полюса молекул воды создают электромагнитное поле, склонное нейтрализовывать поле заряженных ионов натрия и хлора. В присутствии воды эти ионы цепляются друг за друга с гораздо меньшим энтузиазмом, чем на открытом воздухе, и склонны разваливаться и самостоятельно плавать в воде. Короче говоря, хлористый натрий растворяется в воде.

Аналогично хлористому натрию ведет себя и множество других электровалентных соединений, то есть соединений, состоящих из противоположно заряженных ионов.

Полярные соединения, состоящие не из ионов в чистом виде, а из молекул с разделенными концентрациями заряда (как сама вода), гораздо менее склонных цепляться друг за друга, в присутствии воды также растворяются. Сюда входят многие важные для жизни вещества, имеющие кислородноводородные и азотно-водородные связи, обеспечивающие поляризацию: различные спирты, сахара, амины и другие органические соединения.

Ни одна другая жидкость не является таким универсальным растворителем, как вода; ни одна другая жидкость не может растворять значительные количества множества столь разнообразных веществ. Правда, следует уточнить, что вода не может растворять значительные количества всех электровалентных соединений, поскольку электровалентность не является единственным важным свойством. И конечно, вода не может растворять такие неполярные соединения, как углеводороды, жиры, стерины и так далее.

Важность воды как универсального растворителя в следующем.

Самые значимые вещества в человеческом теле — белки и нуклеиновые кислоты вместе с их самыми важными источниками энергии, крахмалами и сахарами, — насыщены кислородно-водородными и азотно-водородными связями. Не будучи полярными, эти вещества имеют важные полярные участки внутри своих молекул. Такие соединения могут растворяться в воде или, по меньшей мере, близко притягивать молекулы воды к различным своим участкам и претерпевать изменения благодаря этим притянутым молекулам воды.

Короче говоря, химические процессы в человеческом теле могут развиваться на водном фоне. Как мы знаем, этот фон так необходим для жизни, что жизнь могла зародиться только в океане, и теперь, даже приспособившись к условиям суши, ткани все еще приблизительно на 70 процентов состоят из воды.

Итак, подведем итог. Вода имеет высокий температурный диапазон жидкой фазы, способна действовать как уравнивающая температуру губка и как эффективный воздушный кондиционер, способна растворять широкий спектр веществ и таким образом действовать как посредник в необходимых для жизни реакциях, следовательно, мы можем сказать: «Безусловно, это не случайность. Безусловно, вода создана для удовлетворения жизненных нужд».

Однако боюсь, что это означает ставить телегу впереди лошади. Начнем с того, что вода существовала как вещество с определенными свойствами, и жизнь развилась так, чтобы подходить к этим свойствам. Были бы у воды другие свойства, жизнь развилась бы в соответствии с теми свойствами. Если бы у воды был, например, более низкий температурный диапазон, то жизнь могла бы зародиться на Юпитере. А если бы воды вовсе не существовало, жизнь могла бы развиться в соответствии со свойствами какой-нибудь другой жидкости.

Однако представим, что в любом случае развилась бы высокая форма другой жизни, способная проницательно изучать ситуацию. Она бы искренне верила, что разумное и высшее начало вовлечено в то, что на самом деле является слепыми и случайными силами, созданными эволюцией.

И я полагаю, что если бы восхитительная дама, написавшая мне письмо, внимательно прочитала этот очерк, то почувствовала бы, что ее гнев еще более оправдан и слова Священного Писания в полной мере относятся ко мне.

Но что же я могу поделать? Я описываю ситуацию так, как ее понимаю.



Таблица 5 | Асимметрия жизни. От секрета научных прозрений до проблемы перенаселения | ХОЛОДНАЯ ВОДА