Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Для меня термодинамика – это здравый смысл сквозь призму математики. Вы вдруг видите вещи гораздо более отчетливо, изучаете прежде скрытые взаимосвязи и приходите к выводам, которых раньше не замечали. Например, начав с известного количества молекул А и В – скажем, углекислого газа и воды, – вы можете подсчитать, сколько C и D – например, октана (углеводородной молекулы в составе бензина) и кислорода – вы можете получить при любой заданной температуре: оказывается, нисколько, потому что энергия Гиббса возрастает в этой реакции при любых условиях. Не повезло: таким простым путем решить проблему глобального потепления не выйдет.

Так что катализаторы не могут изменять закономерности термодинамики, но для химических реакций они играют ту же роль, что масштабные инженерные проекты для Альп: больше не нужно пересекать горные перевалы, чтобы добраться до Средиземного моря, ведь вы можете доехать туда по Симплонскому тоннелю. Катализаторы обеспечивают удобный и кратчайший нисходящий путь в обход того, что химики называют кинетическими барьерами или энергиями активации (см. рисунок 50). Эти препятствия очень похожи на наши собственные активационные барьеры: приятно лежать на диване, но еще приятнее заснуть в кровати, хотя для того, чтобы до нее добраться, требуется определенное усилие.

Рисунок 50.Расчет энергии Гиббса говорит нам, идет ли дорога к пляжу вниз, но не говорит, как туда добраться. Лучшим решением станет путешествие по тоннелю катализа.

Катализ не ограничивается промышленными процессами и тем, что происходит в каталитическом конвертере выхлопных газов в автомобиле. Он протекает с каждым вдохом, который вы делаете. Органические молекулы, такие как углеводы и жиры, предоставляют необходимую нашему телу энергию. Когда они усваиваются, энергия конвертируется в удобную форму, управляющую биохимическими процессами в организме, а углекислый газ и вода выделяются в качестве отходов. Углекислый газ образуется в форме ионов гидрокарбоната (НСО 3 —), а им нужно присоединить ион Н +и распасться на воду и газообразный СО 2прежде, чем мы сможем выдохнуть углекислый газ из легких. Вы можете наблюдать эту реакцию, если добавите лимонный сок (будучи кислотным, он предоставит ионы Н +) в газированную воду; и, хотя кажется, будто реакция случается мгновенно – поскольку мы немедленно видим пузырьки СО 2, – в биохимическом смысле она слишком медленная, чтобы наше дыхание могло нормально функционировать. В нашем теле есть цинксодержащий фермент под названием карбоангидраза, который катализирует эту реакцию и является одним из самых эффективных среди всех известных нам ферментов.

В общих чертах фермент – это белок, который работает в качестве катализатора, а в мозге есть еще один фермент, который берет молекулы L-допы и превращает их в активный нейромедиатор дофамин, и именно таким образом страдающие от болезни Паркинсона получают некоторое облегчение.

Хотя получение дофамина из L-допы – это реакция с убывающей энергией Гиббса, производство молекул L-допы в организме, возможно, ею не является. Как же с этим справляется наша биохимия? Это один из особых признаков живого организма? Нет, тело объединяет реакции химическим путем; это похоже на то, как не имеющие собственного мотора вагоны присоединяются к локомотиву и получается поезд.

На рисунке 51 расположенный справа маленький поезд может безо всяких усилий ехать вниз, к Пляжу низкоэнергетических продуктов. Однако избыточная энергия просто трансформируется в теплоту, растворившись во Вселенной, и нет способа использовать эту энергию, чтобы сдвинуть расположенный слева поезд, – если только мы не объединим эти реакции химическим путем при помощи какого-либо общего реагента или промежуточного продукта (интермедиата). Это даст нам трос, который потянет поезд из Долины стабильных реагентов на Плоскогорье желаемых молекул.

Рисунок 51.Позволив правому поезду тянуть левый на буксире, мы можем поднять левый поезд на Плоскогорье желаемых молекул, когда правый поезд отправится к Пляжу низкоэнергетических продуктов.

Сегодня химикам многое известно о принципах катализа и о том, как использовать металлы, органические молекулы и ферменты для достижения нужного результата; однако мы также знаем, что требуется еще многое сделать. Возможно, той прекрасной работе, которую выполняет Фонд Майкла Дж. Фокса по исследованию болезни Паркинсона [294] Майкл Джей Фокс – почетный доктор Каролинского института в Стокгольме. [295] Фонд Майкла Дж. Фокса по исследованию болезни Паркинсона. URL: https://www.michaeljfox.org/. , поможет какой-нибудь инновационный каталитический процесс. Возможно, способ лечения болезни Паркинсона скрывается в дальнейших исследованиях стволовых клеток или в более биологическом подходе, а не в низкомолекулярных лекарствах. Надежда есть до тех пор, пока мы поддерживаем в рабочем состоянии наше драгоценное высокотехнологичное общество, обеспечивая его достаточным количеством энергии.

Ответом на глобальный вопрос доступа к энергии также выступает катализ. Огромные запасы угля не могут спасти нас в долгосрочной перспективе, даже если у нас будет эффективный способ избавиться от углекислого газа. В краткосрочной перспективе большую важность может приобрести энергия ядерного распада, но ее мало кто рассматривает в качестве постоянного решения проблемы, а энергия термоядерного синтеза – это джокер в колоде, которому мы не можем доверять. Однако, с другой стороны, нам известно, что при действии солнечных лучей (а точнее, при действии высокоэнергетических фотонов) на воду может протекать реакция, в результате которой образуются газы Н 2и О 2. Достаточно рассчитать энергию Гиббса в этом процессе:

фотон + 2Н 2О → 2Н 2+ О 2.

Для фотонов видимого и ультрафиолетового света энергия Гиббса при протекании этого процесса в самом деле убывает. Мы могли бы просто радоваться по дороге на пляж, если бы только нашли нужный катализатор. «Искусственный фотосинтез» – вот такое запоминающееся название есть у нас для этой реакции, и долгое время она выступает в роли чего-то вроде Священного Грааля для химиков. В классической комедии 1938 года «С собой не унесешь», снятой инженером-химиком Фрэнком Капрой [296] В 1918 году он окончил Технологический колледж имени Трупа (сейчас Калифорнийский технологический университет). [297] Интересные факты о Калифорнийском технологическом институте. (California Institute of Technology, 2009). URL: http://archives.caltech.edu/about/fastfacts.html. , Джеймс Стюарт признается Джин Артур, что на самом деле он хочет научиться понимать фотосинтез, а не просто копить деньги, как остальные члены его семьи.