Каждый газ обладает своими особыми возможностями и свойствами. Так, атомы каждого газа объединяются в сложные конструкции при определенной температуре. Эту температуру называют критической. Если температура становится ниже критической для данного газа, то его атомы и молекулы начинают объединяться в более крупные конструкции. Если температура выше критической, то газ является паром. Если температура ниже критической, а давление достаточно высокое, то часть газа-пара переходит в жидкое состояние, начинает конденсироваться. При температуре выше критической это не может произойти, несмотря на очень высокое давление. Дело в том, что газ превращается в жидкость тогда, когда внешнее давление больше собственного давления газа-пара. А это давление зависит от температуры. Если же повышать температуру при постоянном давлении, которое равно нормальному атмосферному давлению (760 мм рт. ст.), то при определенной температуре вся жидкость превратится в пар. Эта температура и называется точкой кипения данного вещества при атмосферном давлении. Можно говорить, что эта температура является точкой сжижения. Совершенно ясно, что для каждого химического элемента эта точка кипения (сжижения) разная по величине температуры.
Поведение жидкости отличается от поведения газов. Молекулы в жидкости также образуют конструкции. Но они очень напоминают кристаллы, в которых не все направления равноправны, равнозначны. Там имеется очень много направлений пониженной прочности. Поэтому кристалл рвется, деформируется, и жидкость течет. Если бы эта прочность была больше, то кристалл оставался бы кристаллом. Эта прочность достигается при дальнейшем понижении температуры. Так можно достичь определенной температуры (для каждой жидкости разной), при которой жидкость превращается в настоящие, крепкие кристаллы. Жидкость переходит в твердую фазу, она замерзает. Эта температура называется точкой замерзания. Точка замерзания (плавления) для каждого вещества своя. Эта температура зависит от давления, хотя и очень слабо.
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. Это можно видеть на рисунке 1, где изображено вольфрамовое острие диаметром около 150 ангстрем. Один ангстрем равен одной стотысячной доле миллиметра. 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
Рис. 1. Фотография изображения вольфрамового острия диаметром около 150 е Среднее увеличение в 2,5 миллиона раз — вающая расположение атомов в металле.
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. 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 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.
