Мыслящая Вселенная - Мизун Юрий Гаврилович - Страница 83

Энергия высвобождается следующим образом. Когда разрушаются метастабильные молекулы, у которых велика теплота образования, значительное количество энергии высвобождается легко. Наиболее типичной молекулой этого класса является глюкоза (С6Н12О6). В органических реакциях, проходящих на земле, растворителем является вода. Если растворителем является не вода, то вся химия будет другой. У органических систем, которые основаны на другом растворителе, основной элемент молекулярных цепей также другой (не углерод). Для рассматриваемой нами проблемы это крайне важно.

Для земной жизни растворителем является вода. Это нейтральное вещество, которое в равной мере является кислотой и основанием. Это возможно потому, что она сама по себе может производить диссоциацию (разрыв молекулы). Можно сказать, что вода образует ионный раствор в самой себе. Ионами являются Н+ (протон) и НО— (гидроксил). Первый ион характеризует воду как кислоту, а второй — как основание. Ион Н+ обычно присоединяется к молекуле воды. При этом образуется гидроксоний Н3О+. Затем он вступает в реакцию и высвобождает ион Н—. Все указанные атомы и группы находятся в воде в состоянии динамического равновесия.

Попробуем воду заменить жидким аммиаком. В принципе он ведет себя подобным же образом. Так, он диссоциирует (разрывается) на ионы Н+ и NH2—. Затем ион Н+ соединяется с молекулой аммиака NH3 и образует аммоний NH4+. Подобным образом ведут себя и другие растворители, которые сами способны создавать в себе ионы. Кислота — это вещество, которое путем прямой диссоциации или при взаимодействии с растворителем образует положительный ион, который характерен для данного растворителя. Для воды и аммиака это Н+. Основание — это вещество, которое дает аналогичным образом отрицательный ион. Для воды это НО, а для аммиака — NН2.

Когда кислота нейтрализуется основанием, положительный ион основания присоединяется к отрицательному иону кислоты (его называют остатком или радикалом), образуется соль. Одновременно отрицательный ион основания соединяется с положительным ионом кислоты. В результате образуется молекула растворителя. В том случае, когда электрический заряд иона является кратным, для его нейтрализации (уравновешивания) необходимо иметь столько же зарядов противоположного знака. Например, при реакции двуокиси углерода с аммиаком в воде образуется углекислый аммоний (NН4)СО3. Но для этой реакции присутствие воды обязательно. Без воды СО2 и NН3 не взаимодействуют (по терминологии химиков «не реагируют»).

В родительском растворителе частично диссоциирует и соль. Так, отдельные молекулы соли распадаются на ионы. В случае углекислого аммония такими ионами являются 2NH4+ и СО32-. Это жидкость. Она обладает очень высокой электропроводностью, которая больше электропроводности чистого растворителя. Такая жидкость называется электролитом. Электролит должен (обязан) содержать в себе ионы. Если в жидкости нет ионов, она никогда не будет электролитом. В так называемом родительском растворителе ионные растворы дают кислоты, основания и соли, и только. Но в других растворителях ионные растворы могут вообще не давать ионов. Правда, они могут образовывать другие ионы.

Специалисты особо выделяют эффективные растворители из всех остальных. Эффективный растворитель должен растворять (эффективно!) большой ряд веществ. Для нас это вещества, которые могут создавать основу органических или псевдоорганических систем.

Растворы данного типа должны быть ионными. Это может реализоваться или вследствие способности растворителя разрушать полярные ковалентные связи растворенного вещества (так действует вода, когда притягивает местные избыточные заряды в молекуле Н3РО4), или вследствие химического сродства ионов растворителя и растворенного вещества.

Для того чтобы молекула растворителя могла разрывать полярные ковалентные связи, она сама должна иметь сильный неском-пенсированный электрический заряд на своих «полюсах». При этом она должна оставаться в целом нейтральной. Другими словами, она должна обладать дипольным моментом. Для того чтобы эти связи оставались разорванными, необходимо, чтобы растворитель был хорошим изолятором. В противном случае разноименные заряды устремятся навстречу друг другу, и диполя не станет. Это свойство характеризуется диэлектрической постоянной («ди» означает «два», то есть плюс и минус). Чем больше сила взаимодействия двух электрических зарядов, которые находятся в жидкости на определенном расстоянии, тем меньше диэлектрическая постоянная. Электролитический растворитель еще характеризуют вязкостью. Такой раствор должен обладать хорошей текучестью (малой вязкостью). В противном случае ионы не смогут достаточно свободно перемещаться. В результате все реакции будут протекать медленно.

Хороший электролитический растворитель может быть или выравнивающим, или дифференцирующим (то есть делящим). Если растворитель выравнивающий, то в нем разные растворенные вещества создают электролиты примерно одинаковой силы. У них степени ионной диссоциации сравнимы. Такими являются высокополярные растворители с большим дипольным моментом: вода и аммиак. В дифференцирующем растворителе сила электролита сильно меняется в зависимости от растворенного вещества. То есть растворитель реагирует дифференцированно на разные вещества, он их различает, разделяет. Примером таких растворителей являются некоторые амины и галоидозамещенные углеводороды, такие как метиламин СН3NН2 и хлороформ СНСl3.

Кроме этого, хороший биологический растворитель должен обладать высокой удельной теплоемкостью, а также большой скрытой теплотой превращения. Что касается удельной теплоемкости, то она представляет собой количество тепла в калориях, которое необходимо для нагревания определенной массы (один грамм) данного вещества на один градус Цельсия. Если удельная теплоемкость вещества высокая, то оно будет нагреваться и охлаждаться медленно. Благодаря этому свойству находящийся в таком веществе организм предохраняется от негативного влияния быстрого изменения температуры. То же самое справедливо и в том случае, если это вещество находится внутри организма.

Скрытая теплота перехода из одного состояния (или фазы) в другое равна количеству тепла, которое поглощено или выделено телом, когда оно переходит из одной фазы в другую без изменения температуры. Так, скрытая теплота парообразования у воды равна 539 кал/г при температуре кипения. У аммиака эта теплота равна 341 кал/г. Это при давлении в одну атмосферу. Для живых организмов все указанные выше величины вполне подходят. Имеется и еще один растворитель — сероводород Н2S. Его скрытая теплота при давлении в одну атмосферу равна всего 132 кал/г. Этого, конечно, мало. Ситуацию может исправить только высокое давление.

Для того чтобы активная жизнь была возможна в широком диапазоне температур, надо, чтобы растворитель (жидкость) имел высокую скрытую теплоту перехода. Тогда этот растворитель не будет легко закипать и замерзать.

От изменений температуры эффективно защищают вещества с низкой теплопроводностью. Это хорошие изоляторы тепла. Но как меняется теплопроводность, так же меняется и диэлектрическая постоянная. Поэтому растворитель с высокой диэлектрической постоянной хорош для жизни по двум причинам: как хороший изолятор и как хороший термос.

Но перечисленных свойств растворителей для жизни мало. Надо еще, чтобы растворитель мог выполнять функции биологического растворителя, то есть он должен укладываться в определенную химическую схему. Он должен образовывать определенные ионы, которые могут с пользой для жизни войти в осуществимую в данных условиях схему органической химии. Что касается аммиака, то при умеренно низких температурах, когда вода уже превращается в лед, он очень напоминает воду по своему поведению. К тому же он является одним из нескольких десятков водоподобных растворителей. Эти растворители можно называть протонными, поскольку у них, как у воды и аммиака, образуется ион Н+ (протон). Такими растворителями являются гидразин N2Н4, гидроксиламин NН2ОН, синильная кислота HCN и фтористый водород HF. Примерами непротонных растворителей являются сернистый ангидрид SO2, четырехокись азота N2O4, двубромистая ртуть HgBr2.