Страница 13 из 95
Важно подробнее рассмотреть связи углерода. Он имеет четыре электрона на внешней оболочке. Заполненной эта оболочка становится только при восьми. Это значит, что число электронов, которое может принять или отдать атом углерода, в обоих случаях равно четырем. Это свойство атомов водорода принципиально важно. Благодаря ему атомы углерода легко соединяются друг с другом в цепочки. Благодаря этому именно углерод занимает исключительное место в химии земной жизни. У других элементов все по-другому. Так, азот имеет на внешней оболочке три свободных места и пять электронов. Это значит, что его валентность равна соответственно трем или пяти. Связь между атомами может осуществляться одним или несколькими электронами. В первом случае связь является одиночной. Если связь осуществляют два электрона, то связь называют двойной, и т. д.
Прочность созданной таким путем связи зависит от того, как много надо затратить энергии для того, чтобы эту связь разорвать. На научном языке это значит, что прочность связи зависит от относительных электрических потенциалов соединяющихся атомов. Потенциал — это возможность, способность.
Мы описали наиболее распространенные связи между атомами. Но имеются и более слабые связи. Например, когда единственный орбитальный электрон атома водорода присоединяется к другому атому, то с противоположной стороны вблизи ядра возникает небольшой местный избыток положительного заряда. А это открывает возможность установления нового типа связи между атомами. Она более слабая, чем связь путем обмена электронами.
Когда атомы благодаря описанным возможностям объединяются, то они образуют соединения. В соединения мо-гут входить атомы одного химического элемента, или же они состоят из атомов различных элементов. Легче всего одному атому зацепиться за другой в том случае, если они дальше находятся друг около друга. Кроме того, соединение создается легче, если атомы находятся ближе друг к другу. Сточки зрения физики это означает, что чем выше температура, тем этот процесс идет медленнее. Это и понятно — чем выше температура, тем с большими скоростями носятся атомы и молекулы. Температура и определяется через скорость движения атомов и молекул. Кроме того, чем больше давление, то есть чем плотнее прижаты друг к другу атомы, тем процесс идет быстрее. Таким образом, с понижением температуры и с увеличением давления количество возможных соединений увеличивается. При этом речь не идет о столь высоких давлениях, при которых уже начинают разрушаться сами атомы и молекулы. Если же температура очень высокая, как в атмосферах горячих звезд и горячих диффузных туманностях, никакие химические соединения образоваться не могут. Каждый отдельный атом носится сам по себе, и ему не дают возможности соединиться с соседним атомом. Поэтому в атмосферах горячих звезд могут существовать только одноатомные газы. Но если температура понижается и атомы двигаются с меньшей скоростью, у них появляется возможность и время организовать с соседями некие конструкции, соединения. Самой простой такой конструкцией является молекула. В ней связь между отдельными атомами очень сильная. Если температура достаточно высокая, то есть скорости движения атомов большие, то слабая конструкция тут же развалится и атомы разбегутся в разные стороны. Молекула же является конструкцией с сильными связями, и она до определенной температуры остается целой. Чем ниже температура, тем больше возможностей у атомов образовывать различные соединения. Кроме молекул обычных образуются более сложные соединения с большим молекулярным весом и более слабыми связями.
В качестве примера можно взять кислород. Его атомы могут соединяться друг с другом и при этом образовывать конструкции, состоящие из двух атомов (О2), трех атомов (О3) — это озон, четырех атомов (О4). Они могут образовывать конструкции и с другими химическими элементами. Когда атом кислорода соединяется с атомом углерода, образуется окись углерода СО. Это ненасыщенное соединение с двумя свободными валентностями. Другими словами, здесь открыт путь еще для двух участников, которые могут войти в эту корпорацию. Если все вакансии (валентности) заняты, то соединение считают насыщенным, спроса на участников больше нет. Примером такой конструкции является соединение СО2, в котором все валентности заняты. Нельзя говорить о проблемах жизни и вообще Земли, не упомянув о СО2.
Каждый газ обладает своими особыми возможностями и свойствами. Так, атомы каждого газа объединяются в сложные конструкции при определенной температуре. Эту температуру называют критической. Если температура становится ниже критической для данного газа, то его атомы и молекулы начинают объединяться в более крупные конструкции. Если температура выше критической, то газ является паром. Если температура ниже критической, а давление достаточно высокое, то часть газа-пара переходит в жидкое состояние, начинает конденсироваться. При температуре выше критической это не может произойти, несмотря на очень высокое давление. Дело в том, что газ превращается в жидкость тогда, когда внешнее давление больше собственного давления газа-пара. А это давление зависит от температуры. Если же повышать температуру при постоянном давлении, которое равно нормальному атмосферному давлению (760 мм рт. ст.), то при определенной температуре вся жидкость превратится в пар. Эта температура и называется точкой кипения данного вещества при атмосферном давлении. Можно говорить, что эта температура является точкой сжижения. Совершенно ясно, что для каждого химического элемента эта точка кипения (сжижения) разная по величине температуры.
Поведение жидкости отличается от поведения газов. Молекулы в жидкости также образуют конструкции. Но они очень напоминают кристаллы, в которых не все направления равноправны, равнозначны. Там имеется очень много направлений пониженной прочности. Поэтому кристалл рвется, деформируется, и жидкость течет. Если бы эта прочность была больше, то кристалл оставался бы кристаллом. Эта прочность достигается при дальнейшем понижении температуры. Так можно достичь определенной температуры (для каждой жидкости разной), при которой жидкость превращается в настоящие, крепкие кристаллы. Жидкость переходит в твердую фазу, она замерзает. Эта температура называется точкой замерзания. Точка замерзания (плавления) для каждого вещества своя. Эта температура зависит от давления, хотя и очень слабо.
В газообразном состоянии атомы движутся с большой скоростью, то есть они обладают большой кинетической энергией. Когда газ превращается в жидкость, то скорости движения атомов и молекул значительно уменьшаются, то есть, уменьшается их кинетическая энергия. Она еще больше уменьшается, когда жидкость переходит в твердую фазу. Но энергия исчезать и возникать не может. Она всегда сохраняется постоянной в сумме и может только переходить из одного вида в другой. В случае превращения газа в жидкость лишняя энергия выделяется в виде тепла. То же самое происходит при превращении жидкости в твердое тело. Но если вы хотите осуществить обратное превращение — твердое тело (лед) превратить в жидкость (воду), а воду в пар, вы должны эту выделенную теплоту вернуть веществу обратно. Как видите, в природе законы выполняются в полной мере, и никто не может их обойти. Очень важно то, что когда вы возвращаете льду тепло, чтобы он снова мог превратиться в воду, которой он уже был, то температура льда не повышается. Лед использует возвращаемую ему энергию (теплоту) строго по назначению — на переход в жидкое состояние. И только после того, как весь лед превратиться в воду, поступающую к нему (к ней) энергию в виде тепла он использует на повышение температуры.
Любое структурное изменение вещества, физическое или химическое, всегда связано с энергией. Оно при этом или выделяется, или поглощается. Это тепловая энергия. Наиболее частые физические структурные превращения — это затвердевание и плавление, а также испарение и сжижение (конденсация).
В природе все строго определено. Так, та теплота, которая поглощается веществом и идет на превращение одной фазы данного вещества в другую, остается в пересчете на один грамм данного вещества строго постоянной. Эту теплоту называют скрытой, поскольку ее введение в вещество не вызывает увеличения температуры. Она как будто не проявляет своего присутствия через видимое увеличение температуры. В качестве примера можно указать, что на превращение одного грамма воды в пар при температуре 100 °C требуется 539 калорий. Справедливо обратное — при превращении одного грамма пара в воду (путем конденсации) выделяется в точности такое же количество тепловой энергии.