Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
В этом выражении мы изначально имеем 2 атома водорода и 1 атом кислорода (полмолекулы), а в результате получаем 2 атома водорода и 1 атом кислорода, так что выражение получается сбалансированным.
Можно привести пример подобного выражения и без участия кислорода. Водород и хлор вместе могут образовывать хлороводород, а натрий и хлор — хлорид натрия (это привычная нам поваренная соль). Эти процессы описываются такими выражениями:
Очевидно, что использование целых чисел — простейший способ записать выражения в уравновешенном виде.
Итак, ход химических реакций благодаря применению специальных обозначений стал нам понятнее, и теперь мы можем, как я уже говорил, использовать эти выражения для различного рода вычислений.
Возьмем, к примеру, выражение, представляющее соединение водорода и хлора:
Оно показывает, что в ходе химической реакции одна молекула водорода реагирует с 1 молекулой хлора для создания 2 молекул хлороводорода. В реакцию вступают равные количества молекул водорода и хлора — один к одному, два к двум, десять к десяти, миллиард к миллиарду. Однако это не значит, что и массы вступающих в реакцию газов будут одинаковы, поскольку одна молекула хлора гораздо тяжелее, чем одна молекула водорода; соответственно и масса участвующего в реакции хлора будет больше, чем реакция участвующего в ней же водорода.
Поскольку атомный вес водорода равен 1, а хлора — 351/2, то молекулярный вес Н2 равен 1 + 1, то есть 2, а молекулярный вес Cl2 равен 351/2 + 351/2, то есть 71. Вне зависимости от того, сколько пар молекул — по одной молекуле хлора и водорода — вступают в реакцию, отношение их масс всегда будет составлять 2:71. Так, две унции водорода вступят в реакцию с 71 унцией хлора; два фунта водорода — с 71 фунтом хлора; две тонны водорода — с 71 тонной хлора и так далее.
Удобнее всего, конечно, рассматривать, как и принято в химической науке, 2 грамма водорода и 71 грамм хлора.
Еще до того, как были установлены подробности касательно атомного строения молекул, химики уже выяснили путем точных измерений, что 2 грамма водорода вступают в реакцию с 71 граммом хлора. И только после того, как в результате долгих наблюдений они поняли, что хлор с водородом соединяются 1:1, был сделан вывод о том, что молекула хлора в 351/2 раза тяжелее молекулы водорода и что атом хлора в 35У2 раза тяжелее атома водорода. Именно отношение весов в сочетаниях и позволило впервые установить значения атомных весов различных химических элементов.
Впоследствии оказалось, что количество молекул водорода в 2 граммах этого вещества равняется примерно 6O2 000 000 000 000 000 000 000.
Это огромное число принято называть «числом Авогадро», поскольку установлено оно было в ходе исследований, которые проводил итальянский химик Амадео Авогадро примерно в 1810 году. Число Авогадро обычно обозначают N, и, поскольку это гораздо проще, чем писать его целиком, именно так я и буду его в дальнейшем приводить.
Таким образом, можно сказать, что N молекул Н2 весят 2 грамма. Поскольку отдельная молекула Cl2 в 351/2 раза массивнее, чем отдельная молекула Н2, то N молекул Cl2 тоже должны весить в 351/2 раза больше, чем N молекул Н2. Поэтому вес N молекул Cl2 должен составлять 2 х 351/2, то есть 71 грамм.
Подобные рассуждения справедливы для любых молекул. Вес N молекул любого вещества относится к весу N молекул водорода как вес одной молекулы этого вещества к весу N молекул водорода.
Число N было выбрано по той причине, что вес N молекул водорода равняется молекулярному весу водорода в граммах. То есть молекулярный вес водорода — 2, а вес N молекул водорода — 2 грамма. И, согласно описанным в предыдущем абзаце пропорциям, N молекул любого вещества будут иметь вес равный молекулярному весу этого вещества, выраженному в граммах. Как уже быkо установлено, N молекул Cl2 весит 71 грамм, а молекулярный вес хлора — 71.
Поскольку молекулярный вес воды, H2O, равен 1 + 1 + 16, то есть 18, то мы сразу же можем сказать, что N молекул воды будут весить 18 граммов, а N молекул углекислоты (молекулярный вес которой — 44) будут весить 44 грамма.
Вес равный молекулярному весу вещества, только в граммах, называют «грамм-молекулярным», или «молярным», а количество вещества в таком случае получило название «моль». Так что N молекул любого вещества — это 1 моль этого вещества. Один моль водорода весит 2 грамма, 1 моль воды — 18 граммов, 1 моль углекислоты — 44 грамма и так далее. Веса во всех этих случаях различны, но количество вещества определяется не весом, а количеством молекул.
Естественно, все вышеизложенное справедливо и для отдельных атомов. Так, N атомов углерода (С) весят 12 граммов, а N атомов серы (S) весят 32 грамма. Атомный вес, выраженный в граммах, правильнее было бы называть «грамм-атомным» весом. Однако простоты ради я буду использовать термин «моль» применительно и к грамм-молекулярному, и к грамм-атомному весу.
Таким образом, химические выражения могут трактоваться двояко. Они описывают как поведение одного атома или одной молекулы, так и поведение N атомов или молекул. К примеру, выражение
можно читать как «две молекулы водорода плюс одна молекула кислорода переходят в две молекулы воды», а можно как «два моля водорода плюс один моль кислорода переходят в два моля воды». Поскольку молекулярные веса водорода, кислорода и воды составляют 2,32 и 18, то 1 моль каждого из них весит соответственно 2 грамма, 32 грамма и 18 граммов. Так что вышеприведенное выражение можно прочесть и так: «4 грамма водорода плюс 32 грамма кислорода переходят в 36 граммов воды».