Мыслящая Вселенная

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.

Для Земли и человека вода — самое главное. Благодаря указанному свойству воды и сохраняется неизменным или маломеняющимся тепловое состояние планеты. Значит, вода стабилизирует климат Земли. Это мы подробно рассмотрели в книге «Озонные дыры и гибель человечества?»

Любопытно, что переход вещества из одного фазового состояния в другое может быть задержан. Так, можно задержать кристаллизацию в переохлажденной жидкости. Известно, что переохлажденная жидкость с понижением температуры становится все плотнее и плотнее. Но при этом она все же не превращается в твердое тело в собственном смысле этого слова. Как ни странно это звучит, такой переохлажденной жидкостью является стекло. Стекло течет, это доказывает то, что старинные оконные стекла внизу толще, чем в верхней части. Собственно, переохлажденная жидкость отличается от твердого тела тем, что она не имеет четко выраженной точки (температуры) плавления. Когда переохлажденная жидкость поглощает тепло, она не переходит в жидкое нормальное состояние резко, а постепенно размягчается.

Что же касается истинных твердых тел, то они бывают макро-и микрокристаллическими. В микрокристаллических твердых телах кристаллы слишком малы, для того чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

Когда образуются кристаллы, то молекулярные структуры в них исчезают. При этом атомы образуют сравнительно крупную решетку. Кристаллическая решетка может меняться в зависимости от давления и температуры. Примером разных кристаллических решеток могут служить алмаз и графит, которые являются модификациями углерода.

Обычная соль NaCl состоит из кристаллов, в которых атомы образуют правильную решетку. Сейчас такие решетки изучают с помощью электронного микросита. Силикаты образуют самые различные кристаллы весьма сложной структуры. В определенных условиях кристаллы любого вещества имеют строго определенную форму. Это напоминает живой организм. В сущности, они тоже растут, пристраивая к своей поверхности новые решетки из молекул, которые они извлекают из окружающей среды. Этот процесс очень непростой. Ведь кристалл выступает и как самокатализатор. Он создает сам себя (растет) из материала, который содержится в окружающей среде. Поэтому и возникает аналогия между кристаллом и живым веществом. Когда органическая молекула действует как шаблон при самокопировании или самовоспроизведении, то происходит точно такой же процесс. Ведь кристаллизация родственна химическому процессу полимеризации, при котором одинаковые молекулы соединяются в цепочки большого молекулярного веса. Вполне можно рассматривать кристалл как одну молекулу полимера.

Простой вариант полимеризации реализуется, когда сложные молекулы образуются из атомов одного сорта. Мы говорили о кислороде в виде О, О₂, О₃ и О₄. Формально это можно считать начальной стадией кристаллизации. Она не имеет своего продолжения только потому, что температура для этого очень высокая, а давление слишком мало.

Уникальным является углерод. Его атомы способны объединяться друг с другом и образовывать цепочки. Можно сказать, что органическая химия является химией углерода. Если к углероду добавить его соединения с водородом, то получается практически вся органическая химия. Да, собственно, деление химии на органическую и неорганическую весьма условно и не всегда целесообразно. Правда, с точки зрения решения проблемы жизни на Земле такое деление себя оправдывает.

К проблеме жизни причастна органическая химия. Суть органической химии начинают изучать с парафинового ряда углеводородов. Это СН₄, С2Н₆, С₄Н₁₀… СnH₂n+2. Записанные формулы изображают в следующем виде:

Бутан и изобутан имеют одинаковую формулу С₄Н₁₀. Они отличаются только пространственным расположением атомов в молекуле и своими свойствами. Свойства их настолько разнятся, что их можно считать разными веществами. Их называют изомерами.

Что касается парафинов, то это простейшие углеводороды. Это соединения с цепным строением. В них повторяется группа атомов Н с двумя свободными валентностями, которые способны образовывать связи.

Пропан С₃Н₈ может быть записан как сумма Н + СН₂ + СН₂ + СН₂ + Н. Этан С2Н6 образуется при полимеризации двух метиловых групп СН3. Каждая из этих групп имеет одну свободную валентность.

Другие углеводороды и органические соединения можно получить из парафинов. Для этого надо Н и СН2 заменить другими атомами или их группами (их радикалами). Кроме того, надо осуществить структурную перестройку. Углерод кроме цепочки может образовывать кольца. Это мы наблюдали в циклических углеводородах. Одним из циклических углеводородов является бензол:

Здесь две черточки означают двойную связь.

В органических соединениях бензольные кольца появляются в разных комбинациях и с разными замещениями. Собственно, сами углеводороды обычно не присутствуют в живых тканях. Они появляются главным образом в продуктах распада живых тканей. Да и для синтеза углеводородов биологические процессы не нужны, а точнее, не являются обязательными. Так, углеводороды образуются, например, при вулканической деятельности. Но, тем не менее, углеводороды являются тем стержнем, вокруг которого построено вещество жизни. Можно сказать, что жизнь начинается с углеводов, в которых углерод входит в соединение с составными частями молекулы воды, то есть с двумя атомами водорода и одним атомом кислорода.

Химия — наука о растворах, и прежде всего о водных растворах. В идеальном растворе вещество распределено в виде отдельных молекул. Исключение составляют коллоидные растворы. В них растворенное вещество взвешено в виде частичек вещества. Эти частички настолько малы, что способны реагировать на удары отдельных молекул. Именно удары отдельных молекул и поддерживают частички вещества во взвешенном состоянии. Эти взвешенные частицы можно отфильтровать фильтром из пергамента или с помощью другой диалитической мембраны. Кроме коллоидных растворов имеются и суспензии. Но в суспензиях частички вещества побольше, поэтому они оседают под действием силы тяжести. Удары молекул не в состоянии предотвратить этот процесс.

Вода как растворитель образует ионные растворы. В них молекулы растворенного вещества расщеплены на электрически заряженные группы атомов или на ионы. Ион — это атом, у которого есть электрический заряд. Если у атома не хватает одного или больше орбитальных электронов, то он заряжен положительно, то есть является положительным ионом. Если же у атома имеется лишний орбитальный электрон, то он заряжен отрицательно, то есть является отрицательным ионом. Положительно заряженный атом еще называют катионом, а отрицательно заряженный — анионом. Отсюда происходят «катод» и «анод». Как это ни парадоксально звучит, но вода растворяется сама в себе, поскольку часть молекул воды диссоциирует (расщепляется) на две части — положительно заряженный ион Н+ и отрицательно заряженный ион НО—. Н+ — это протон, то есть ядро обычного водорода. Это ядро потеряло свой орбитальный электрон, поскольку он «прилип» к молекуле ОН, которая стала отрицательно заряженной. ОН— еще называют гидроксилом.