Айзек Азимов - Загадки мироздания

Однако теперь текст получится ровный, четкий и понятный — и все благодаря письменному столу, который ускоряет и облегчает процесс самим фактом своего присутствия, при этом не претерпевая в процессе написания текста никаких изменений. И карандаш, и бумага в какой-то степени затрачиваются при написании текста, да и сам пишущий тратит на этот процесс некоторое количество калорий энергии, и только письменный стол не несет никаких потерь. В дальнейшем с его помощью можно осуществить неограниченное количество подобных действий; короче говоря, он является полноценным катализатором.

Кстати, обе приведенные метафоры говорят еще об одном, о том, что катализ — это, как правило, феномен, связанный с поверхностью; о том, что для ускорения реакции (будь то скольжение кирпича, написание письма или распад бертолетовой соли) необходимо предоставить наилучшим образом подходящую для процесса поверхность.

Позже, уже в ходе более глубокого изучения предмета, студенту объяснят, что катализ ускоряет реакцию, никоим образом не сдвигая при этом точку равновесия. Предположим, к примеру, что у нас имеются вещества А и В, которые вступают в реакцию с образованием веществ С и D. Естественным образом эта реакция будет происходить лишь до определенного момента — она остановится по достижении системой равновесного состояния, то есть такого, когда все доли каждого из четырех веществ — А, В, С и D — в смеси достигнут определенного уровня. Присутствие катализатора лишь ускоряет ход реакции в том смысле, что равновесное положение достигается быстрее, но по его достижении реакция точно так же останавливается.

Более того, если изначально взять С и D, то и они вступят между собой в реакцию с образованием А и В, — и эта реакция тоже будет протекать додостижения системой равновесного состояния. Интересно, что и ход такой обратной реакции можно ускорить с помощью того же самого катализатора.

Когда студента впервые в жизни ставят перед этим фактом, то наличие вещества, способного подталкивать реакцию в обоих направлениях, как будто обладая точным знанием о том, где именно находится точка равновесия, может показаться ему какой-то чертовщиной.

Однако несложно показать, что катализатор на самом деле подталкивает реакцию не в обоих направлениях, а только в одном — достаточно вернуться к метафоре с кирпичом на наклонной плоскости. Представим теперь, что поверхность, на которой лежит кирпич, — не ровная прямая, а что-то вроде параболы концами вверх, то есть самая низкая точка траектории движения кирпича находится не на одном из концов, а где-то между ними. Тогда если поверхность грубая и шершавая, то кирпич с обоих краев плоскости будет сползать к середине, но очень медленно, а если покрыть поверхность слоем льда — то он легко соскользнет к одной и той же самой низкой точке, не важно, с какого из краев.

Если наблюдать за происходящим четко сверху, остановка кирпича всегда в одной и той же точке, ничем не отличающейся от других, при движении в любом направлении покажется явлением мистическим и таинственным. Однако стоит посмотреть сбоку, и станет ясно, что направление движения кирпича на самом деле всегда одно и то же — вниз, куда его тянет сила тяжести. Именно это движение вниз и ускоряет катализатор-лед.

Если обозначить, скажем, левый край поверхности, как смесь А и В, а правый — как смесь С и D, то любому студенту станет ясно, что лед, конечно, не занимается расчетами того, в каком направлении толкать кирпич. Он просто помогает кирпичу быстрее соскользнуть вниз.

Студентам наглядно будет показано, почему катализ обратимой реакции не приводит к сдвигу точки равновесия и почему ускорение реакции в том или ином направлении не подталкивает ее двигаться в том же направлении дальше. Очевидно ведь, что оттого, что кирпич и поверхность, по которой он скользит, покроют льдом, процесс скольжения, конечно, ускорится, но на положение самой нижней точки поверхности это никак не повлияет, равно как и не заставит кирпич проскочить эту точку и застрять где-то посреди противоположного склона.

В программе более продвинутых курсов студенты узнают о существовании такой вещи, как химический потенциал, который можно рассматривать как в некотором отношении аналог известного нам с детства гравитационного потенциала, и на этом этапе познания когда-то обрисованный образ опять же сослужит им хорошую службу.

Но не стоит ограничивать область применения метафор лишь элементарными вещами. В конце концов будет объяснено, что эффект катализа достигается за счет снижения энергии активации. Иными словами, вещество, подвергающееся воздействию фермента, сначала вступает в некое нестабильное промежуточное соединение, из которого тут же образуется окончательный продукт. Формирование этого нестабильного промежуточного соединения требует приложения довольно большого объема энергии, а без его образования не получится и окончательного продукта (хотя он как раз и не является особенно энергоемким веществом). Поэтому вся реакция не может проистекать быстрее, чем формируется промежуточное соединение.

Наличие же катализатора делает это промежуточное соединение более стабильным, что позволяет формировать его с приложением меньшего количества энергии, что ускоряет процесс образования этого соединения, а значит, и всей реакции.

Часто энергию активации (так называется энергия, необходимая для формирования промежуточного вещества) представляют в виде «порога» между исходными веществами и конечными продуктами реакции. Присутствие фермента снижает этот порог, соответственно облегчая массовый переход через него. Еще одну интересную метафору можно привести, если представить обратимую реакцию в виде шоссе, по которому в обе стороны мчатся автомобили, а энергию активации — в виде «лежащего полицейского»; однако эта метафора оставляет открытым вопрос, каким же именно образом наличие катализатора вдруг способствует снижению порога. Зато это можно наглядно продемонстрировать с помощью образа «завязывания шнурков».

Представим себе человека, который стоит посреди необозримого грязного поля. У него развязался шнурок, и надо его завязать. При этом ему очень не хочется упасть в грязь. Пока наш герой стоит на обеих ногах, на одной из которых ботинок с развязанным шнурком, он находится в устойчивом положении и падение ему не грозит. Когда шнурок будет завязан, опасность падения окажется далеко позади.

Но вот сам процесс завязывания шнурка сопряжен с ослаблением равновесия. Для этого надо либо нагнуться, либо присесть на корточки, либо поднять ногу, то есть оказаться в рискованном положении, когда можно либо запачкать часть одежды, либо вообще упасть. Такая нестабильность промежуточного положения заставит нашего героя двигаться медленно и осторожно.