Загадки мироздания

Так как же катализатор может повлиять на ход реакции самим своим присутствием? Какую аналогию такому феномену может предложить жизнь? Давайте возьмем в качестве аналогии скольжение кирпича по наклонной плоскости.

Давайте вместо распадающейся с высвобождением кислорода бертолетовой соли представим себе кирпич, скользящий вниз по слегка наклонной плоскости с высвобождением энергии. Оба процесса являются спонтанными, но и для первого и для второго необходим изначальный толчок. Бертолетову соль надо сначала нагреть; кирпич нужно подтолкнуть рукой.

Допустим, что наклонная доска, на которой лежит кирпич, имеет грубую поверхность и между ней и кирпичом возникает сильное трение. Тогда, несмотря на силу тяжести, воздействующую на кирпич, он остановится сразу же, как только его перестанут толкать рукой.

Теперь предположим, что и кирпич и доска покрыты тонким слоем льда. Теперь кирпич будет скользить вниз гораздо легче, от самого слабого толчка, а то вообще сам по себе.

Но ведь лед не толкает кирпич, не усиливает силу тяжести, вообще не прилагает к кирпичу никаких усилий. Он сам по себе вообще ничего не делает. Он просто присутствует. Да и нужно-то его немного — лишь столько, чтобы покрыть тонким слоем соприкасающиеся части доски и кирпича. Причем в идеальном случае лед еще и не тратится в процессе скольжения. Когда кирпич уже соскользнул вниз, весь лед остается на месте — можно ставить на доску второй обледенелый кирпич, за ним — третий и т. д.

Катализатор определяют как вещество, способное ускорять химическую реакцию фактом своего присутствия в небольших количествах и не подвергающееся в результате реакции изменениям. Стоит убрать из определения слово «химическую», и мы увидим, что лед, покрывающий доску, является самым настоящим катализатором.

Можно привести и другую аналогию — с письменным столом. Представьте себе, что посреди пустыни стоит человек с карандашом и листом бумаги, а вокруг него — только мягкий пересыпающийся песок. Человек хочет что-то написать на листе.

Писать он умеет, у него есть чем писать и на чем. Однако прочесть написанное им в таких условиях будет сложновато, а то и невозможно, а бумага в процессе написания практически неизбежно порвется.

Теперь представим себе, что вдруг под рукой у нашего писателя обнаруживается гладкий письменный стол из полированного дерева. Карандаш на полировке не пишет, но как разительно изменится при этом вся ситуация в целом!

Никаких дополнительных тайн письма человеку не открывается, инструмент его — карандаш — остается прежним, да и предмет, на котором он может писать, — все тот же лист бумаги.

Однако теперь текст получится ровный, четкий и понятный — и все благодаря письменному столу, который ускоряет и облегчает процесс самим фактом своего присутствия, при этом не претерпевая в процессе написания текста никаких изменений. И карандаш, и бумага в какой-то степени затрачиваются при написании текста, да и сам пишущий тратит на этот процесс некоторое количество калорий энергии, и только письменный стол не несет никаких потерь. В дальнейшем с его помощью можно осуществить неограниченное количество подобных действий; короче говоря, он является полноценным катализатором.

Кстати, обе приведенные метафоры говорят еще об одном, о том, что катализ — это, как правило, феномен, связанный с поверхностью; о том, что для ускорения реакции (будь то скольжение кирпича, написание письма или распад бертолетовой соли) необходимо предоставить наилучшим образом подходящую для процесса поверхность.

Позже, уже в ходе более глубокого изучения предмета, студенту объяснят, что катализ ускоряет реакцию, никоим образом не сдвигая при этом точку равновесия. Предположим, к примеру, что у нас имеются вещества А и В, которые вступают в реакцию с образованием веществ С и D. Естественным образом эта реакция будет происходить лишь до определенного момента — она остановится по достижении системой равновесного состояния, то есть такого, когда все доли каждого из четырех веществ — А, В, С и D — в смеси достигнут определенного уровня. Присутствие катализатора лишь ускоряет ход реакции в том смысле, что равновесное положение достигается быстрее, но по его достижении реакция точно так же останавливается.

Более того, если изначально взять С и D, то и они вступят между собой в реакцию с образованием А и В, — и эта реакция тоже будет протекать додостижения системой равновесного состояния. Интересно, что и ход такой обратной реакции можно ускорить с помощью того же самого катализатора.

Когда студента впервые в жизни ставят перед этим фактом, то наличие вещества, способного подталкивать реакцию в обоих направлениях, как будто обладая точным знанием о том, где именно находится точка равновесия, может показаться ему какой-то чертовщиной.

Однако несложно показать, что катализатор на самом деле подталкивает реакцию не в обоих направлениях, а только в одном — достаточно вернуться к метафоре с кирпичом на наклонной плоскости. Представим теперь, что поверхность, на которой лежит кирпич, — не ровная прямая, а что-то вроде параболы концами вверх, то есть самая низкая точка траектории движения кирпича находится не на одном из концов, а где-то между ними. Тогда если поверхность грубая и шершавая, то кирпич с обоих краев плоскости будет сползать к середине, но очень медленно, а если покрыть поверхность слоем льда — то он легко соскользнет к одной и той же самой низкой точке, не важно, с какого из краев.

Если наблюдать за происходящим четко сверху, остановка кирпича всегда в одной и той же точке, ничем не отличающейся от других, при движении в любом направлении покажется явлением мистическим и таинственным. Однако стоит посмотреть сбоку, и станет ясно, что направление движения кирпича на самом деле всегда одно и то же — вниз, куда его тянет сила тяжести. Именно это движение вниз и ускоряет катализатор-лед.

Если обозначить, скажем, левый край поверхности, как смесь А и В, а правый — как смесь С и D, то любому студенту станет ясно, что лед, конечно, не занимается расчетами того, в каком направлении толкать кирпич. Он просто помогает кирпичу быстрее соскользнуть вниз.

Студентам наглядно будет показано, почему катализ обратимой реакции не приводит к сдвигу точки равновесия и почему ускорение реакции в том или ином направлении не подталкивает ее двигаться в том же направлении дальше. Очевидно ведь, что оттого, что кирпич и поверхность, по которой он скользит, покроют льдом, процесс скольжения, конечно, ускорится, но на положение самой нижней точки поверхности это никак не повлияет, равно как и не заставит кирпич проскочить эту точку и застрять где-то посреди противоположного склона.

В программе более продвинутых курсов студенты узнают о существовании такой вещи, как химический потенциал, который можно рассматривать как в некотором отношении аналог известного нам с детства гравитационного потенциала, и на этом этапе познания когда-то обрисованный образ опять же сослужит им хорошую службу.

Но не стоит ограничивать область применения метафор лишь элементарными вещами. В конце концов будет объяснено, что эффект катализа достигается за счет снижения энергии активации. Иными словами, вещество, подвергающееся воздействию фермента, сначала вступает в некое нестабильное промежуточное соединение, из которого тут же образуется окончательный продукт. Формирование этого нестабильного промежуточного соединения требует приложения довольно большого объема энергии, а без его образования не получится и окончательного продукта (хотя он как раз и не является особенно энергоемким веществом). Поэтому вся реакция не может проистекать быстрее, чем формируется промежуточное соединение.