Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Почему химическая энергия не высвобождается сама собой?

Почему химические процессы, идущие с образованием энергетически более бедных соединений, протекают не самопроизвольно, а только после соответствующего возбуждения или в присутствии катализаторов? Почему при обычных условиях кислород и водород самопроизвольно не образуют воду, а азот и водород - аммиак? Ответы на эти вопросы связаны с одной из фундаментальных проблем не только химий, но и всей живой природы.

Какие соединения стабильны?

Если бы мы рассматривали тела только с энергетической (термодинамической) точки зрения, то пришли бы к заключению, что в природе могут существовать лишь простейшие соединения, которые энергетически наиболее стабильны, в действительности это не так: существуют миллионы соединений, большинство из которых энергетически богаты, а следовательно, энергетически нестабильны. Таким образом, одна только энергетическая стабильность еще не объясняет, почему существуют различные химические вещества и вся живая природа.

Энергетическая стабильность указывает лишь на возможность процесса превращения, но ничего не говорит о том, произойдет ли оно в действительности и какова скорость этого процесса.

Энергия активации

Прежде всего рассмотрим один пример из механики. Имеются три тела о одинаковой массой т, но различной формы (3) с центрами тяжести, расположенными на различной высоте от общей опорной плоскости. Все три тела можно опрокинуть так, что при данных условиях их центр тяжести займет наинизшее положение. С точки зрения потенциальной энергии наиболее стабильным будет состояние тела, обладающего наименьшей потенциальной энергией (Еь), центр тяжести которого расположен ниже, чем у других. Потенциальная энергия этих трех тел увеличивается в следующей последовательности: mghi < mgtu < mgh3 (где g-ускорение силы тяжести; hi, Ьг, Ьз-изменение высоты центра тяжести при опрокидывании тел 1,2,3 соответственно). Если исходить из чисто энергетических соотношений, то самым стабильным должно быть тело 1. Однако даже с первого взгляда видно, что его положение наименее устойчиво. Даже если нам удастся поставить его в положение, изображенное на 3, то уже при малейшем сотрясении оно упадет, так как его центр тяжести начинает опускаться, а потенциальная энергия соответственно уменьшаться. Потенциальная энергия тела 2 больше, чем тела 1, но его положение более устойчиво из-за наличия подставки и, чтобы привести тело 2 в наклонное положение, надо сначала поднять центр тяжести на высоту In, совершив работу mgtu. При опрокидывании тела его центр тяжести описывает некоторую траекторию, и тело начинает падать само, как только центр тяжести пройдет высшую точку траектории. При этом освобождается потенциальная энергия mgCfa+hr), но поскольку вначале была уже затрачена энергия mghr, то в конечном итоге потенциальная энергия тела уменьшается только на величину mg(h2+h2') - mgh2 = mglu; следовательно, в другие виды переходит именно это количество энергии. Еще более устойчиво тело 3, поскольку для его опрокидьйвания необходимо затратить энергию mghj',

Таким образом, для того чтобы опрокинуть тела 2 и 3, необходимо вначале их "активировать", затратив на это некоторую энергию, энергию активации Еа= mgh2' или mghs'. Однако эта энергия нужна только временно. После того как мы поднимем центр тяжести на нужную высоту и приведем тело в активированное состояние, энергия активации выделится обратно при опускании центра тяжести до высоты Ьг или пз. Только после этого начнет выделяться энергия, обусловленная разностью энергий начального и конечного состояний. Из этого примера видно, что "кинетическая" стабильность состояния зависит не столько от потенциальной энергии тела, соответствующей этому состоянию, сколько от величины энергии активации.

Приведенный пример помогает понять, почему не происходит самопревращений во всех веществах, которые способны к таким превращениям с точки зрения запасенной (потенциальной) химической энергии. Хотя в результате превращения энергетически нестабильных соединений в стабильные выделяется энергия, но с начала этого процесса соответствующие вещества необходимо активировать, затратив на это определенную энергию активации, которая, однако, не учитывается в суммарном энергетическом балансе процесса.

В качестве относительно простого примера рассмотрим более подробно образование соляной кислоты из водорода и хлора

В данном процессе выделяются 44 ккал энергии, поэтому 2 моля соляной кислоты стабильнее, чем смесь 1 моля газообразного водорода и 1 моля газообразного хлора. Несмотря на это, в темноте такой процесс не идет. Образование соляной кислоты, как и любой другой химический процесс, происходит с перегруппировкой атомов и с изменением связей между ними. В исходных веществах (молекулах Н и С1) химически связанные атомы должны отделиться друг от друга, чтобы затем соединиться по-другому и образовать продукт реакции (в нашем случае соляную кислоту). Чтобы такой процесс стал возможен, должны быть разорваны или по крайней мере ослаблены связи между атомами во взаимодействующих молекулах, для чего требуется энергия активации. Если предположить, что для образования соляной кислоты необходимо разложить на атомы молекулу хлора, то потребуется 57 ккал энергии в случае Ш -103 ккал. Свободные атомы могут так располагаться вокруг молекулы Ш, что одновременно с образованием связей Н-С1 будут разрываться связи Н-Н и при этом образовываться молекулы Н-С1. На 4

схематически представлены эти энергетические соотношения. Для приве-цения системы в активированное состояние, имеющее энергию 217 ккал (Ш+2С1), необходимо к химической энергии (энергии связи) в 160 ккал, соответствующей состоянию Ш+СЬ, добавить из внешнего источника еще 57 ккал. подведенной энергии активации и 44 ккал в виде теплоты. Эта последняя величина и есть разница энергий между конечным состоянием 2НС1 и начальным состоянием Ш+СЬ. Приведенная схема ясно показывает, почему переход в более стабильное состояние не происходит самопроизвольно. Ведь для этого следует подвести из какого-либо внешнего источника энергию активации. Возникает вопрос, откуда может быть получена энергия, необходимая для активаций процесса образования соляной кислоты. В темноте и при комнатной температуре Ни CI не вступают в реакцию с образованием соляной кислоты. Это свидетельствует о том, что энергия, выделяющаяся при столкновении молекул, меньше чем энергия активации. Но при высоких температурах реакция протекает очень бурно и даже со взрътвом. С повышением температуры увеличивается средняя скорость движения молекул и, следовательно возрастает их кинетическая энергия; при столкновениях выделяется большая энергия, которая затрачивается на разрыв или ослабление химических связей.

Итак, при "обычном" химическом способе получения соляной кислоты энергия активации черпается из термической энергии молекул (термическая активация). Такие химические превращения называются термическими реакциями.

Эксперимент показывает, что это не единственный источник энергии активации; Активация может происходить также под воздействием света, при радиоактивном облучении, электрическом разряде и т.д.

Если воздействовать на хлороводородный гремучий газ светом высокой частоты, то газ взорвется даже при комнатной температуре - с большой скоростью превратится в соляную кислоту. Энергия фотонов с X < 4785 А0 достаточна, чтобы превысить энергию активации, необходимую для образования соляной кислоты, вызвать реакцию и поддерживать ее.

Общие условия протекания химических процессов

Как правило, для начала химического процесса нужна энергия активации, причем даже тогда, когда конечным результатом процесса является большое количество освобожденной энергии. Благодаря энергии активации разрываются (или ослабляются) химические связи, существующие между атомами в исходном веществе, и атомы могут перегруппироваться в соответствии с химическими превращениями. Освобожденные атомы в результате столкновения могут соединяться друг с другом и образовать структуру, соответствующую продукту реакции.

Энергия активации Еа, необходимая для возбуждения реакции, как уже отмечалось, не учавствует в окончательном энергетическом балансе всего процесса.

Катализ

Катализаторы - это вещества, которые ускоряют химические процессы, не изменяясь при этом сами. Существует очень большое количество таких веществ, и они играют исключительно важную роль в регулировании процессов, происходящих в неживой и особенно живой природе.

Опытным путем можно установить, что катализаторы уменьшают энергию активации процесса и тем самым ускоряют его. Действие твердых катализаторов основано главным образом на том, что они связывают молекулы исходных веществ на своей поверхности (адсорбируют их), при этом молекулы так деформируются, что ослабляются те связи, разрыв которых необходим для химической реакции. Однако катализатор будет действенным лишь  в том случае, когда продукты реакции не остаются связанными на его поверхности, так как в противном случае это будет препятствием-для ослабления связей в других молекулах и, следовательно, для "подготовки" к продолжению реакции.

Аналогично действуют газообразные' или растворенные катализаторы. Молекулы катализатора вступают в слабую связь с реагирующими молекулами, деформируя их настолько, что в них ослабляются именно те связи, которые должны быть расслаблены дли данной химической реакции. После превращения продукты реакции больше не взаимодействуют с катализатором; его молекулы снова готовы к выполнению своей роли "посредника". Катализаторы ускоряют "старение" (гниение, разложение) многих органических веществ, в частности продуктов питания, что во многих случаях нежелательно.

Направляющие действия катализатора

Различные катализаторы по-разному воздействуют на связи в молекуле, и соответственно продукты реакции получаются различными. Простейшими примерами этого служат каталитические реакции разложения. Например, спирт при нагревании в присутствии катализатора (окиси металла) теряет воду и превращается в этилен

СНз - СН2- ОН -+ СН2 = СН2 + НгО

спирт  этилен            вода

В присутствии же металлических катализаторов спирт теряет водород и образует кислоту:

СНз - СШ - ОН•- СНз - СНО + Н*

спирт  уксус, кисп.

Таким образом, катализатор не только ускоряет химическую реакцию, но может также определить ее направление.

Благодаря своему влиянию на химические процессы катализаторы играют очень важную роль как в природе, так и в технике. Функции живых организмов возможны только при воздействии соответствующих катализаторов (биокатализаторов, энзимов и ферментов). Большинство процессов в химической промышленности также осуществляется при участии катализаторов.

Стабильность веществ

Теперь известно, что устойчивость химических соединений и скорость их превращений определяются не их химической энергией, а главным образом их энергией активации (5). Соединения с большой химической энергией (термодинамически менее стабильные) не обязательно будут менее устойчивыми, чем вещества с малой химической энергией (термодинамически более стабильные). Бывает, что энергия активации соединений, богатых химической энергией, очень велика, поэтому они более устойчивы, чем многие вещества с малой химической энергией, но требующие для своего разложения меньшую энергию активации. Это обстоятельство делает возможным длительное существование миллионов соединений, образующихся в живых организмах или создаваемых искусственно, хотя подавляющее большинство этих соединений энергетически нестабильно.

Без большого преувеличения1 можно утверждать, что существование всей живой природы возможно именно вследствие относительно высокой энергии активации разложения энергетически нестабильных соединений углерода. Из всех продуктов питания жиры обладают наибольшей химической энергией, однако они относительно устойчивы и сохраняются в течение многих месяцев, что объясняется достаточно высокой энергией активаций окисления жиров. Конечные продукты окисления жиров - это СОг и ЫгО. Сахар обладает меньшей химической энергией и значительно большей энергией активации разложения, поэтому он более стабилен, чем жир. Известно, что сахар может, не разлагаясь, храниться неограниченно долгое время. Химическая энергия белка почти не отличается от энергии сахара, однако белок намного сильнее подвержен разложению. Известно, что мясо и молоко, содержащие много белка, могут, не портясь, храниться в обычных условиях всего несколько дней. Энергия активации разложения белка очень мала. В живых; организмах сахар и белок при своем окислении проходят через различные промежуточные стадии.