1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (Нетрадиционные возобнавляемые источники энергии. А.М. Магомедов, 1996u), страница 11

Напротив, углерод и метан (нажнейший компонент природного газа) - это энергоносители, которые находят практическое применение, поскольку при окислении сверхсоответствующих этим соединениям энергий связи (170 и 396 ккал/моль соответственно) дополнительно освобождается часть содержащейся в иих химической энергии (с большей энергией связи): С + Оэ -ь СОз СНя + 20э -+СОз + 2НгО 170ккял 96ккал 360ккал 396 192 360 440 Итак, в 1 моле СОэ энергия связи на 94 ккал больше, чем в ! моле углерода и 1 моле кислорода", зта разность есть химическая энергия, высвобождающаяся при сгорании. В 1 моле СОзи 2 молях НэО сумма энергий связи иа 212 ккал больше, чем в 1 моле метана и 2 молях кислорода.

Эта разность и есть полезная химическая энергия, получаемая прн сгорании метана. Поскольку эти процессы совершаются при очень простых условиях, то и С н СНя являются энергоносителями. Скорость процессов, ищущих с высвобождением энергии Существует еще одно'требование к энергоносителям: процесс, идущий с выделением, тепла при легкоосуществляемых условиях (иногда после соответствующего возбуждения), должен протекать с достаточно большой скоростью.

При очень медленных процессах в единицу времени вьшеляется так мяло энергии, что она практически не может быль использована. Так, например„известно, что уголь слабо греет, если в печи он медленно горит, так как тепло сгорания, получаемое в единицу времени, успевает уйти через дымоход или стены, не обогрев комнаты. Однако слишком ускоренный процесс в большинстве случаев также нежелателен, так кек в этом случае температура повышается больше, чем это необходимо,- появляется опасность взрыва Таким образом„скорость процессов„в ходе которьж выделяется энергия, должна хорошо регулироваться. Хорошо регулируемые окислительные процессы, поставляющие энергию, протекают, например в живых организмах.

Здесь только часть химической энергии превращается в тепло, часть производит работу, зна« ' чительная же часть идет.ца построение более сложных соединений, содер- жащнх больше энергии, чем исходные вещества. Так возникают необходимые для обеспечения жизненных функций разнообразные соединении, энергетически более богатые, чем непосредственно образующиеся под воздействием солнечного света углевоцы (глюкоза или крахмал). Лучшими регуляторами процессов производства эпергии являются катализаторы. В живых организмах их роль выполняют энзимы н ферменты. резюмируя можно сказать, что энергия„заключенная в химических соединениях и элементах, освобождается в химических реакциях при образовании межатомных связей в продуктах этих реакций и частично (за вычетом межатомных связей исходных веществ) может быть превращена в другие виды энергии.

Если мы просто сжигаем энергоносители„то пьчти все количество освободившейся химической энергии превращается в тепло, идущее на иагреваиие окружающей среды. Полученную тепловую энергию можно различными способамн превратить в другие, нужные нам виды энергии. Однако в ряде случав освобождающаяся химическая энергия превращается в другие виды непосредственно, без промежуточной стадии тепла. Например, в гальванических элементах электрическая энергия прямо получается из химической; в процессах, сопровождающихся химической люминесценцией, часть химической энергии непосредственно преобразуется в энергию оптического излучения; в живых организмах часть энергии, освобождающейся при распаде различных веществ, используется для синтеза энергетически более богатых соединений..

При обычном получении энергии вне живых организмов (при горении) химическая энергия почти полностью превращается в тепло - никакая работа непосредственно ие производится. Такое положение приемлемо лишь в том случае, когда используется энергия для отопления, но не тогда, когда из этого источника нужно получить другой вид энергии:механическую, электрическую, световую и т.д. Таким образом, непосредственное превращение химической энергии в электрическую - задача первостепенной важности. Такое превращение можно осуществить в гальванических элементах.

Однако материалы, необходимые для известных в настоящее время, надежно работающих гальванических элементов слишком дороги, чтобы использовать зти элементы в широких масштабах в качестве источнихов энергии. В настоящее время весьма интенсивно проводятся исследования с целью создания надежных в эксплуатации гальванических элементов (так называемых топливных элементов), в которых использовались бы энергоносители, имеющиеся в достаточном количестве. 5 8. ПОЧЕМУ ХИМИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИИ НЕ ВЫСВОБОЖДАЕТСИ 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 прн обычных условиях кислород и водород самопроизвольно не образуют воду, а азот и водород - аммиаку Ответы на этн вопросы связаны с одной из фундаментальных проблем не только химии, но и всей живой природы.

Канве соединения стабильныу 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 нестабилъны. Таким образом, одна только энергетическая стабильность еще не объясняет, почему существуют различные химические вещества н вся живая природа. Энергетическая стабильность указывает лишь на возможность процесса превращения, но ничего не говорит о том, пронзондет ли оно в действительности и какова скорость этого процесса. Энергия активации Прежде всего рассмотрим адин пример из механики. Имеются три тела одинаковой массой ш, но различной формы (рнс.З) с центрами тя- еле нуй ' ',~ ' нтб ' ( «ф ! Рне.3.

Саюь ненлу нотенннальноа анентлеа тела н его уетоачнаоотыо. жести и, 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 потенциаланой энергии наиболее стабильным будет состояние тела, обладающего 48 наименьшей потенциальной энергией (Еь), центр тяжести которого расположен ниже, чем у других. Потенциальная энергия этих трех тел увеличивается в следующей последовательности: шяЬ < шяЬл < шйЬз (где и- ускорение сипы тяжести; Ьь Ьл Ьз-изменение высоты центра тяжести при опрокидывании тел 1,2,3 соответственно).

Если исходить нз чисто энергетических соотношений, то самым стабвлънъпя 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 рисЗ, 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 нащюнпое положение, надо сначала поднять центр тяжести на высоту Ьь совершив работу шяЬв 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 пщ(ЬгьЬг), ио поскольку вначале была уже затрачена энергия шла, то в конечном итоге потенциальная энергия тела уменьшается только на величину шй(Ь~+Ьэ') - шйЬэ = шйЬп следовательно, в другие виды переходит именно зто количество энергии, Еще более устойчиво тело 3, поскольку для его опрокидывания необходимо затратить энергию ткЬ'. ' Таким образом, для того чтобы опрокинуть тела 2 и 3, необходимо вначале их "активнровать", затратив на зто некоторую энергию, энергию активации Е.= шяЬэ' или шйЬэ'. 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 Ь~ илн Ьэ. 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 ие происходит самопревращений во всех веществах, которые способны к таким превращениям с точки зрения запасенной (потенцнальной) 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, ие учитывается в суммарном энергетическом балансе процесса. В качестве относительно простого примера рассмотрим более под- 4 Заказ 10 робно образование соляной кислоты нз водорода и хлора: Нз+ С!г-ь 2НС1+ 44ккал.

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 н любой другой химический процесс, происходит с перегруппировкой атомов и с изменением связей между ними. В исходных веществах (молекулах Н и С!) химически свя- занные атомы должны отделиться друг от " Я > друга, чтобы затем соединиться по-другому и образовать продукт реакции (в нашем случае соляную кислоту).

Чтобы такой процесс стал возможен, должны быть разо„! "ф ц';~',, рваны или по крайней мере ослаблены свя- ', зи между атомами во взаимодействующих ~ молекулах, для чего требуется энергия ак(н,~ Ор ю - " '.,: . ': тнвации. Если предположить, что для об- ~ разования соляной кислоты необходимо ' разложить на атомы молекулу хлора, то ',~ потребуется 57 икал энергии в случае Нз- 103 икал. Свободные атомы могут так располагаться вокруг молекулы На что одРас.4.Эверптвчеекнеееетаеианва повременно с образованием связей Н-С1 вяаеяяаэоэаэввсолавйкзклетьь будут разрываться связи Н-Н и при этом образовываться молекулы Н-С1. На рнс.

4 схематически представлены эти энергетические соотношения. Для привеления системы в активированное состояние, имеющее энергию 217 ккал (Нз+2С1), необходимо к химической энергии (энергии связи) в 160 ккал, соответствующей состоянию Нз+С!ц добавить нз внешнего источника еще 57 ккал. подведенной энергии активации и 44 ккал в виде теплоты. Эта последняя величина и есть разница энергий между конечным состоянием 2НС! и начальным состоянием Н~+С!ь 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 активации процесса образования соляной кислоты. В темноте и при комнатной температуре Н и С1 не вступают в реакцию с образованием соляной кислоты.