О природе живого: механизмы и смысл - Ичас М.
ISBN 5-03-002805-6
Скачать (прямая ссылка):
Кинетическая и потенциальная энергия — это две формы механической энергии, однако есть и другие виды энергии: тепловая, электрическая, химическая. Все они могут превращаться в механическую энергию и наоборот.
Приведем пример превращения механической энергии в химическую. Возьмем цилиндр, в котором находится смесь азота и водорода при высокой температуре (рис. 5-1). В этом случае часть
смеси прореагирует с образованием аммиака:
N2 Ч* ЗН2 —> 2NH3.
Надавим на поршень и совершим работу по сжатию газа. В этом случае в реакцию вступят новые порции азота и водорода и образуется еще немного аммиака. Согласно закону сохранения энергии, ее общее количество в системе не увеличивается и не уменьшается, поэтому мы можем заключить, что механическая энергия перешла в химическую. Иными словами, механическая энергия способствовала переходу смеси водорода и азота из более низкого энергетического состояния в более высокое.
И наоборот, химическая энергия может быть превращена в механическую. Если наполнить цилиндр смесью водорода с кислородом и поджечь ее, то смесь газов сгорит с образованием воды:
2Нг + О2 = 2НгО.
Смесь водорода и кислорода обладает большой энергией, и при сгорании эта энергия высвобождается, вначале в форме тепла. Это приводит к расширению газовой смеси. Если она давит на поршень, то способна произвести работу, например двигать машину. Таким путем химическая энергия может превращаться в механическую.
Понятие равновесия
Понятие энергии тесно связано с представлением о равновесных состояниях. Если мы соединим два тела стальной пружиной, отведем их друг от друга, а затем отпустим, то они вн<5вь сблизятся; если же приблизить тела одно к другому и отпустить, они снова разойдутся. В обоих случаях они в конце концов займут одинаковое положение. Соответствующее расстояние между телами будет равновесным. Это такое расстояние, которое со временем само по себе изменяться не будет, но может измениться в случае воздействия внешней силы.
Когда стальная пружина “спонтанно” движется к положению равновесия, она может совершать работу: она обладает так называемой “свободной энергией”. Если же система уже пребывает в равновесии, то работы она совершать не может, так как находится на самом низком энергетическом уровне.
Химическое равновесие
Химическое равновесие можно описать сходным образом: это такое состояние смеси реагирующих компонентов, при котором их
относительные количества не изменяются со временем. Возьмем, например, колбу и нальем туда воды, этилового спирта и уксусной кислоты. В такой смеси будет, хотя и медленно, идти реакция между спиртом и кислотой с образованием воды и эфира — этил-ацетата:
СН3СН2ОН + НООССНз = СН3СН2ООССН3 + Н20 .
Этиловый Уксусная Этилацетат Вода
спирт кислота
Направление реакции — слева направо.
В другую такую же колбу мы нальем воды и этилацетата в количествах, эквивалентных содержанию спирта и кислоты в первой колбе. Теперь реакция пойдет справа налево: этилацетат будет расщепляться с присоединением воды и в результате образуются спирт и кислота.
Будем держать обе колбы при постоянной температуре и периодически определять в них состав смеси (измеряя, например, концентрацию уксусной кислоты, хотя можно выбрать для этого и другой компонент. В результате мы получим график, сходный с представленным на рис. 5-2. Из него видно, что сначала реакция идет быстро, но затем постепенно замедляется и в конце концов состав смеси в обеих колбах становится одинаковым: она содержит определенные количества спирта, кислоты, этилацетата и воды. В дальнейшем концентрации этих веществ уже не меняются: в смеси установилось равновесие. Оно одинаково независимо от того, с чего мы начали опыт — со спирта и кислоты или же с эквивалентного количества этилацетата.
Причина постоянства концентраций при химическом равновесии вовсе не в том, что реакции в колбах прекратились. Нет, этилацетат продолжает распадаться на кислоту и спирт, а спирт и кислота продолжают реагировать, образуя этилацетат. Но в системе, находящейся в равновесии, скорости прямой (слева направо) и обратной (справа налево) реакций одинаковы, так что в целом состав смеси не меняется. Независимо от начального Состава смеси это равенство прямого и обратного процессов, т. е. равновесие, всегда будет достигаться “автоматически”. Поясним это следующими рассуждениями.
Начнем с реакции, в которой участвуют этилацетат и вода. Молекулы этилацетата с некоторой долей вероятности могут распадаться на этиловый спирт и уксусную кислоту. Соответственно спирт и кислота тоже с некоторой вероятностью способны соединяться, образуя этилацетат. В исходной смеси этилацетата с водой единственно возможной реакцией вначале будет распад этого эфира, так что реакция пойдет справа налево; при этом количество
Рис. 5-2, Если мы возьмем систему веществ, реагирующих друг с другом, она будет постепенно приближаться к химическому равновесию, характерному для этой системы. После достижения равновесия концентрация веществ в системе не меняется. При движении химической системы к равновесию она может совершать работу, но это становится невозможным, после того как равновесие достигнуто.
