Вы не авторизовались

Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул бесплатное чтение

Кейт Бибердорф
Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Kate Biberdorf

It’s Elemental: The Hidden Chemistry in Everything

* * *

Моей учительнице химии, миссис Келли Пэлсрок

Введение

Ботаникам вроде нас позволено быть неиронично увлеченными каким-либо занятием.

Мы даже можем просто подпрыгивать в кресле вверх-вниз, и это сойдет нам с рук.

…Если кто-то называет вас ботаником, он скорее всего имеет в виду, что вам нравится заниматься чем-то всерьез.

Джон Грин

Я хочу начать эту книгу с признания.

Я ботаник, и я одержима химией.

Я – химик, мой муж, Джош, – химик, и большая часть наших друзей тоже химики. (Не все, но у каждого свои недостатки.) Знаете, я могу завести случайную беседу о кварках. На романтическом вечере мы с Джошем обсуждали исследование, получившее Нобелевскую премию, и горячо спорили о том, какой же элемент из периодической таблицы является лучшим – очевидно же, что это палладий. Однако я понимаю, что не все люди такие, как я и мой муж. Точнее, большинство людей не такие.

В химии тяжело разобраться. Наука в принципе дело непростое. Вы неизбежно сталкиваетесь со множеством непонятных терминов и правил, которые кажутся чертовски сложными. И это особенно актуально, если мы говорим о химии, ведь мы не можем наблюдать ее процессы своими глазами.

Чтобы лучше разобраться в биологии, вы можете, скажем, препарировать лягушку. На уроке физики учитель может наглядно показать вам некоторые физические свойства, например ускорение. Но я не могу показать вам атом.

Даже мои близкие или друзья не всегда понимают, чем именно я занимаюсь. Например, Челси, моя лучшая подруга. Она очень умная, в целом разбирается в науке и работает в области, связанной с химией, – она ювелир. Но Челси никогда не «понимала» химию, которую преподают в старших классах. И если меня этот предмет увлекал и приводил в восторг, то она каждый урок сидела потерянная и скучающая. Тогда я не могла понять, почему уже на второй год Челси забросила уроки химии. Но сейчас понимаю. Я вижу таких студентов почти каждый день.

Я профессор в Техасском университете в Остине, преподаю предмет «Химия в контексте». Это вводный курс для студентов, которые, возможно, больше никогда не возьмут уроки естествознания. Просто представьте молодую девушку, у которой основная дисциплина английский язык… И она считает, что естествознание – это предмет, за который вполне можно получить тройку. Представили? Вот это я и пыталась вам объяснить.

Однажды, в самый первый день занятий, студент задал мне вопрос о кварках, и я настолько увлеклась, что мое объяснение закончилось разговором о субатомных частицах. И все это происходило на глазах пяти сотен первокурсников. Самые отчаянные пытались делать заметки, но основная часть группы просто смотрела на меня глазами, полными ужаса. Некоторые снимали меня на видео. Две девушки буквально прижались друг к другу.

В целом, эта ситуация могла быть смешной в том случае, если бы передо мной не сидело несколько сотен шокированных студентов, решивших дать шанс химии (и мне). Многие совершенно не понимали, о чем речь. С тем же успехом я могла говорить на клингонском языке. Я на сто процентов уверена, что эта ситуация для моих учеников только подтвердила миф о том, что наука – это скучно и непонятно. Именно поэтому важно выбирать правильные слова. Особенно если мы говорим о химии.

Когда я получила первую ученую степень, я переслала маме копию моей диссертации. Она позвонила мне пару минут спустя. Я даже не успела поздороваться, как услышала смех. Я честно не могла понять, почему мать смеется. Я отправила ей не тот документ? Она увидела видео с глупенькой смешной кошкой? Она ошиблась номером?

Затем мама начала тараторить: «Кэтти, я даже не понимаю значения этих слов! Что за… нафтил?» Она смеялась так сильно, что не могла сказать ни слова. Я растерялась. Я же сказала, о чем было мое исследование, так почему она ничего не поняла? Потом я открыла документ и прочитала первую строку: «Синтез и каталитические свойства шести новых 1,2-аценафтинил N-гетероциклических карбенов на основе палладиевого (II) катализатора. Аценафтенилкарбен может быть получен с использованием мезитила или 1,2-диизопропил N-арильных заместителей».

Тогда мне все стало ясно: что прочитала моя мама, что услышали мои студенты и что чувствовала Челси. Никто из них понятия не имел, что такое «1,2-аценафтинил N-гетероциклических карбенов на основе палладиевого (II) катализатора». По правде говоря, им и не нужно было понимать. (На случай, если кому-то интересно, это тип катализатора, используемый для создания медицинских препаратов.)

Химия интересная, чертовски увлекательная, но многие химики (включая меня) говорят о ней как-то слишком заумно, так что любой человек, не имеющий научной степени, просто не поймет, о чем речь. Однако в этой книге я хочу сделать ровно противоположное. Моя цель – показать маме (и всем вам), почему я влюблена в химию. И почему вы тоже должны ее полюбить.

Обещаю, что здесь не будет унылых рассуждений о кварках и скучных описаний научных методов. Но когда вы закончите чтение и закроете книгу, то будете понимать основы химии. Вы узнаете, что химия есть везде: начиная с шампуня, которым вы моете голову по утрам, и заканчивая прекрасным закатом. Химия в воздухе, без которого вы не можете жить. Она в вещах, с которыми вы сталкиваетесь каждый день. И чем больше вы будете знать, тем сильнее будете ценить и понимать наш мир.

Посмотрите вокруг. Все, что вы видите, – это материя. Материя состоит из молекул, а молекулы из атомов. Чернила на этой странице – молекула, впитавшаяся в волокна бумаги. Клей в переплете книги – тоже молекула, соединяющая обложку и листы. Химия везде и во всем.

В первых четырех главах я расскажу вам о молекулах, атомах и химических реакциях – о том, что необходимо знать для общего понимания науки. Вы можете считать это чем-то вроде Chemistry 101^[1] или пересказа школьной программы за десятый класс. (Кстати говоря, я гарантирую, что к концу этого раздела вы наконец «одолеете» атомы.)

Во второй части книги я расскажу вам о химии в повседневной жизни: в кофе, который вы варите каждое утро, в вине, которое вы пьете по вечерам. А тем временем мы с вами будем делать различные веселые вещи: убираться, готовить и заниматься спортом. Мы даже сходим на пляж. Вы узнаете, как зависят от химии ваши телефоны, солнцезащитные кремы и ткани.

Я писала эту книгу в надежде, что вы не только поймете химию, но и очаруетесь этой наукой. Хочется надеяться, что по ходу чтения вы откроете для себя множество интересных и увлекательных вещей об окружающем мире; что вы будете делиться новыми знаниями со своим партнером, детьми, друзьями, коллегами по работе… да хоть с незнакомцем в «счастливый час».

И я уверена, что любовь к химии поможет нам сделать этот мир чуточку лучше.

Поехали!

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

Химия есть везде и во всем. Она в вашем телефоне, теле, одежде и даже в любимом коктейле! С ее помощью можно понять, почему лед в воде тает, или предположить, что случится, если мы соединим два элемента, например, натрий и хлор (спойлер: получится соль). Но что такое химия на самом деле?

Техническое определение звучит так: «Химия – это наука об энергии и материи, а также о взаимодействии двух элементов друг с другом». В данном определении под словом материя подразумевается любое вещество, а под словом энергия – реакционная способность молекулы. (Молекула – это крошечная частица, из которой состоит материя. Подробности чуть позже.)

Химики хотят предсказывать то, какие химические реакции будут происходить при взаимодействии двух молекул, или, если говорить другими словами, при взаимодействии двух веществ или химических субстанций. Мы задаем себе разные вопросы и пытаемся ответить на них. Например, вступят ли химические вещества в реакцию при комнатной температуре? Случится ли взрыв? Если добавить тепло, образуются ли новые связи?

Но чтобы можно было ответить на все эти вопросы, нужно понимать основы химии. А это значит, нам предстоит немного перенестись назад во времени. Ну, точнее, не совсем «немного» – мы отправляемся в глубокую древность.

В пятом веке до нашей эры два философа, Демокрит и Левкипп, предположили, что все в нашем мире состоит из малейших невидимых частиц, называемых атомами. В своих трудах они описали то, как миллионы атомов объединились между собой и образовали все то, что мы видим вокруг. Тут можно провести простую аналогию с кучей LEGO, из которых можно создать огромное количество предметов, вплоть до крутого Тысячелетнего сокола.

Несмотря на то, что Демокрит и Левкипп были абсолютно правы – сегодня считается, что они были первыми, кто дал определение атома, – в те времена их идеи не были приняты. Дело в том, что их предположение противоречило идеям двух других философов, Аристотеля и Платона (которые были своего рода авторитетами).

Аристотель и Платон считали, что вся материя (то есть все вещи и существа) возникла из сочетания четырех стихий: земли, воздуха, воды и огня. Согласно этой теории, каждый элемент обладал определенными качествами: земля – холод и сухость, вода – холод и влажность, воздух – тепло и влажность, огонь – тепло и сухость. Следовательно, все в этом мире состоит из комбинации этих четырех элементов. Философы также считали, что земля может «превращаться» в воздух, затем в огонь, затем в воду и обратно в землю. Например, когда горит бревно, то оно меняет свои качества с холода и сухости (земля) на тепло и сухость (огонь). Когда огонь потухнет, то сгоревшее бревно снова будет «принадлежать» земле, потому что оно холодное и сухое.

Если кто-то потушил огонь водой, то сгоревшее бревно становится сочетанием двух элементов: воды и земли. В данном случае мокрая зола займет намного больше места, чем кучка сухой. Вследствие этого Аристотель и Платон считали, что вся материя может изменять свой объем (становиться больше или меньше) при изменении комбинации элементов.

Демокрит был ярым противником теории Аристотеля и Платона. Он говорил, что существует предел того, насколько маленьким может быть вещество или предмет. Представим, что вы разрезали буханку хлеба пополам. Затем вы снова и снова делите получившийся кусочек на две части. Согласно Демокриту, через какое-то время у вас будет такой кусок хлеба, который будет невозможно разрезать. Именно эту неделимую частицу философ и определил как атом. И он был прав!

Но давайте не забывать, что в то время теорию Демокрита не поддержали – тогда авторитетным философом был Аристотель. Так что, когда он отверг предположение об атомах, это предположение отвергли и все остальные. К несчастью для нас, из-за Аристотеля и его ошибочных суждений следующие две тысячи лет человечество думало об окружающем мире как о комбинации огня, воды, воздуха и земли. Только вдумайтесь: две тысячи лет!

И только в 1600-х годах нашелся кто-то, кто предоставил достаточно веские доказательства того, что теория Аристотеля была неверной. Роберт Бойль, чудной физик, который любил проводить различные эксперименты и разрушать общепринятые теории. Однажды он обратил внимание на теорию Аристотеля и впоследствии написал целую книгу, в которой ее опроверг.

Бойль считал, что мир состоит из элементов – маленьких неделимых частиц материи. Звучит знакомо, правда? Публикация книги – с говорящим названием «Химик-скептик» – запустила настоящую гонку в поисках этих маленьких, невидимых частиц под названием «элементы». В то время Бойль был уверен, что распространенные вещества, например, золото и медь, представляют собой сочетание элементов. Но после публикации книги ученые обнаружили, что эти вещества (и одиннадцать других) являются самостоятельными.

Первое использование меди датируется 9000 годом до нашей эры на Среднем Востоке, но только после публикации книги Бойля люди обратили внимание на этот элемент. Только после новой теории об элементах ученые начали считать, что медь – это самостоятельный элемент, а не комбинация элементов. То же самое произошло со свинцом, золотом, серебром… Вот так были открыты первые тринадцать элементов. После этого ученые занялись поиском новых. Таким образом, в 1669 году был открыт фосфор, а в 1735 году – кобальт и платина.

Сегодня мы понимаем, что данное Бойлем определение элемента оказалось верным: элемент – это вещество, которое не может расщепиться на простейшие или мельчайшие частицы во время химической реакции. Сейчас мы понимаем, что все элементы состоят из миллионов и миллиардов мельчайших частиц материи, называемых атомами (слово произошло от использованного Демокритом atomos). Но это открытие было сделано английским ученым Джоном Дальтоном лишь в 1803 году.

Прорыв Дальтона очень часто называют «атомной теорией». Он предположил, что все атомы одного элемента (например, углерода) идентичны друг другу, и все атомы другого элемента (допустим, водорода) также будут идентичны друг другу. Но Дальтон не смог понять, почему атомы углерода отличаются от атомов водорода.

Несмотря на то, что ученые того времени много чего не знали, они одновременно и принимали, и отвергали атомную теорию. (Спойлер: они не смогли опровергнуть теорию, потому что этот труд является (и являлся) правильным.) За следующее столетие химики провели множество экспериментов, пытаясь найти нестыковки в теории Дальтона. Однако все факты по-прежнему подтверждали его гипотезу об атомах и элементах.

Однажды трое ученых, Жозеф Луи Гей-Люссак, Амедео Авогадро и Йёнс Якоб Берцелиус, попытались определить атомную массу элементов – и это привело к полнейшему хаосу. Каждый из троицы использовал разные техники и придерживался разных стандартов, из-за чего опубликованные ими труды полностью противоречили друг другу. Все выглядело настолько запутанно, что научное сообщество было вынуждено положиться на итальянского химика Станислао Канниццаро, который установил универсальный стандарт атомной массы.

Я совершенно необъективна, но если бы я активно занималась наукой в середине 1800-х годов, то даже и секунды не потратила бы на эту идею. Мне нравится разбирать и собирать обратно вещи, поэтому я поставила бы перед собой такой вопрос: если материя состоит из атомов, то из чего состоят сами атомы? Я по-прежнему не уверена кое в чем: у ученых викторианской эпохи было недостаточно технологий для исследований данного вопроса или им просто было неинтересно? К счастью, в конце 1800-х годов сэр Джозеф Джон Томпсон решил изучить строение атомов путем экспериментов с катодными лучами.

Чтобы провести эти эксперименты, Томпсон герметично запечатал стеклянную трубку с двумя металлическими электродами внутри. Проще говоря, вся конструкция выглядела как закрытая банка пива с двумя тонкими длинными полосками металла внутри. В своих экспериментах Томпсон (по возможности) выкачивал весь воздух из трубки, а затем пускал по электродам ток. В этот момент он видел разряд, передающийся от одного электрода к другому, – он назвал его катодным лучом.

В ходе этих экспериментов Томпсон определил, что катодные лучи притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Он из раза в раз менял вид металла и обнаружил, что катодный луч всегда одинаковый. Томпсон был весьма доволен результатами, так как понимал, что сделал потрясающее открытие. Если катодный луч был одинаков для всех элементов и атомов, то он должен представлять собой один из блоков для формирования атома вне зависимости от его элемента. Однако примерно в то же время его коллега, Джон Дальтон, убедил общественность, что каждый атом уникален, и Томпсон забеспокоился: общественность не примет его открытие. Он продолжил проводить эксперименты.

В ходе экспериментов Томпсон выяснил, что катодный луч был легче любого известного атома. Это как если бы вы сравнивали массу всех дверных ручек в вашем доме с общей массой дома – их масса будет крошечной. Так было бы и с домом ваших родителей, и с домом соседей, и с любым другим. Томпсон обнаружил, что каждый «дом» (атом) состоит из одинакового набора «ручек», которые всегда легче общей массы. Это означало, что Томпсон смог определить маленький кусочек внутри атома. Знаете, тогда он только открыл электрон! Крошечные частицы с отрицательным зарядом.

Забегу немного вперед и скажу, что в атоме есть три составляющие: электроны, протоны и нейтроны. Протоны (частицы с положительным зарядом) и нейтроны (как вы уже догадались, частицы с нейтральным зарядом) находятся внутри ядра (в центре атома), а электроны вращаются снаружи. Представим: мое тело – это атом, а мои печень и почки – это протоны и нейтроны. Электронами будет все, что находится снаружи, например куртка или перчатки.

Мне не составит труда отдать кому-нибудь куртку или перчатки; то же самое происходит и с атомами, когда они обмениваются электронами. Однако забрать мою печень или почки будет уже не так-то просто. Это возможно? Да, возможно. Останусь ли я прежней после этой операции? Нет, не останусь. При передаче протонов возникают такие же трудности.

Элемент всегда определяется количеством протонов в ядре. Например, в атоме углерода всегда имеется шесть протонов, а в атоме азота – семь. Если атом азота каким-то образом потеряет один протон, то он перестанет быть азотом. Этот атом станет углеродом, так как в атоме углерода содержится шесть протонов. Это процесс из ядерной химии, и он никогда не проходит так просто. В большинстве случаев атом должен выстрелить нейтроном, чтобы начался ядерный распад. В настоящее время данный метод используется для генерации энергии (то есть электричества) на атомных электростанциях.

И хотя атомы очень редко теряют или приобретают новые протоны, они любят обмениваться электронами. За это ответственна структура атомов. Представьте, что вы одеваетесь в холодный зимний день. Как мы уже обсуждали, если вы атом, то ваши печень и почки будут ядром, где находятся протоны и нейтроны. Внутренний слой, прилегающий к телу – термобелье, – будет первым слоем электронов. Ваша кофта и штаны будут вторым слоем, и еще одним будут ваши куртка и болоньевые штаны.

Электроны, находящиеся на слое «куртки» или на внешней электронной оболочке (для краткости будем говорить «внешняя оболочка»), очень важны в химии. Такие электроны называются валентными, и атом с легкостью ими обменивается. Как слои одежды защищают нас зимой от низких температур, так и внешняя оболочка защищает «внутренности» атома – внутреннюю оболочку.

Электроны, находящиеся на внутренней электронной оболочке, не способны реагировать с другими атомами, так как они ограждены валентными электронами. Точно так же ваши коллеги не могут увидеть ваше нижнее белье, так как оно «ограждено» кофтой или курткой. И это идет атомам на пользу. Дело в том, что каждый слой электронов имеет отрицательный заряд, из-за чего слои отталкиваются друг от друга. Это значит, что между ними всегда есть небольшие расстояния – точно такие же, какие получаются между вашей курткой и кофтой.

Позвольте мне развить эту метафору. Атомы могут быть разного размера, и все сходится на том, сколько слоев «носит» атом. Кто-то может ходить в многослойной одежде, чтобы согреться в холодную погоду, а кто-то круглый год ходит в шортах и сандалиях. Это работает и с атомами: у маленьких атомов намного меньше электронных слоев, чем у больших.

Когда я говорю о валентных электронах, я имею в виду электроны на «курточном» слое внешней оболочки атома. В солнечный день вы снимите куртку, чтобы лучи падали прямо на вашу кожу… То же самое и с валентными электронами: атом всегда готов «распрощаться» с ними, чтобы те вступили в реакцию с внешними силами. Это может показаться шокирующим, но до 1932 года ученые не имели представления о том, что я вам только что рассказала. Во многом это связано с тем, что они были вынуждены работать в изоляции, поэтому обладали ограниченной информацией (просто вспомните времена до появления интернета). До недавнего времени изучение химии было медленным и монотонным процессом. К счастью, теперь нам известно, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов, а также что они могут обмениваться электронами. К тому же примерно в то время ученые поняли, что им нужен один способ классификации атомов. И тогда была создана периодическая таблица.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычный справочник, который вы используете на уроках естествознания. Для меня и подобных мне ученых она важна тем, что, только посмотрев на нее, я могу получить всю нужную информацию об определенном элементе, его характеристиках и о том, как атомы этого элемента будут себя вести.

Давайте начнем с основ. Когда таблица только разрабатывалась, нужно было присвоить каждому элементу химическое название и символ. Это может показаться чем-то простым, но на самом деле все не так. Часто бывало, что два человека в один и тот же момент открывали – или им казалось, что они открыли – один и тот же элемент и давали ему разные названия. И тогда вставал вопрос: а какое название верное? Как вы понимаете, тогда возникало множество споров, например, когда панхромий был назван ванадием или когда вольфрам был назван тунгстеном.

Еще совсем недавно, в 1997 году, между США, Россией и Германией шла ожесточенная борьба из-за названий элементов со 104-го по 109-й. В 2002 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) дал рекомендации касательно того, как следует называть элементы. Сейчас эти рекомендации соблюдаются, но иногда может пройти около десяти лет, прежде чем новому элементу дадут официальные название.

Определить химический символ каждого элемента было намного проще, так как обычно это аббревиатура названия: Н – это водород, а С – углерод. Но символы некоторых элементов не так очевидны. Например, химический символ железа – Fe – происходит от латинского ferrum. Сюда же можно отнести W – вольфрам (tungsten) и Hg – hydrargyrum (ртуть).

Когда каждому элементу присвоены имя и символ, вычисляется его атомный номер (или зарядовое число). Он равен количеству протонов в ядре. Водород имеет первый атомный номер, и это означает, что в его ядре один протон. На данный момент самым большим порядковым номером является 118. Элемент под именем оганесон (Og), в его ядре, как можно догадаться, 118 протонов. А это означает, что оганесон должен иметь 118 электронов снаружи ядра. Дело в том, что атомный номер указывает не только на количество протонов в ядре, но также и на количество электронов вне ядра. Важно помнить, что все элементы по сути являются нейтральными. Следовательно, количество протонов внутри ядра равно количеству электронов снаружи. Если бы мы посмотрели на атомный номер водорода – 1, – то поняли бы, что у него один протон и один электрон. Немного подробнее: протон внутри имеет положительный (+1) заряд, который нейтрализует электрон с отрицательным (–1) зарядом, делая элемент нейтральными. То же самое и с оганесоном: (118) + (–118) = 0.

К сожалению, с нейтронами не все так просто. Число нейтронов колеблется от атома к атому, даже если это атомы одного и того же элемента. Поэтому химики решили добавить еще одно число в периодическую таблицу – атомная масса. Это сумма протонов и нейтронов внутри ядра элемента. В отличие от атомного номера, атомная масса редко является целым числом. Дело в том, что ученые используют средневзвешенное количество нейтронов в атоме, а затем добавляют его к сумме протонов. Так и определяется атомная масса элемента.

Как правило, в отдельных атомах поддерживается соотношение протонов и нейтронов, равное 1 к 1. Это означает, что мы сможем узнать атомную массу, если удвоим атомный номер. Например, атомный номер магния – 12, а его атомная масса – 24,31 (12 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 12,31). Атомный номер кальция – 20, а его атомная масса 40,08 (20 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 20,08).

Но из каждого правила есть исключения. Например, порядковый номер урана – 92, поэтому ожидается, что его атомная масса будет составлять 184. Однако она составляет 238,03 из-за изотопов урана, в которых содержится различное количество нейтронов. Большинство атомов, подобных урану, имеют несколько изотопов. Изотоп возникает в том случае, если два или более атома одного элемента имеют различное количество нейтронов. Мы не выделяем «лучшие» изотопы; мы собираем все атомы и вычисляем среднее количество нейтронов. Затем это число используется в подсчете атомной массы. Уран называется уран-238. Магний и кальций – магний-24 и кальций-40 соответственно.

Изотопы

Обычно я говорю, что изотопы – это атомы со своим характером. Они образуются, когда два или больше атома одного элемента имеют разное количество нейтронов. Изотопы хорошо распространены, однако в школе мы не уделяем достаточно времени на их изучение, так как нейтроны нейтральны. Соответственно они не влияют на поведение атома в химической реакции. (Вместо этого мы сосредотачиваемся на том, что влияет на поведение атома: протонах и электронах.)

Как я уже говорила, ученые охарактеризовали каждый открытый электрон. И знаете, я считаю, что это круто. Как и Lady Gaga, изотопы были «рождены такими» и совершенно спокойно существуют с парой лишних нейтронов.

Прекрасный пример – углерод. Большинство атомов углерода имеют шесть нейтронов и шесть протонов. Однако у некоторых их семь или восемь. Лишние нейтроны никак не влияют на свойства атомов углерода, однако это делает их всех изотопами.

Это можно сравнить с собаками. Представьте двух далматинцев: они выглядят одинаково, но у одного на несколько пятен больше. Две собаки практически одинаковые, и эти несколько «лишних» пятен не означают, что одна из них больше не далматинец. Точно так же работают изотопы: дополнительные нейтроны не меняют атом, элемент или реактивную способность. Это просто дополнительное определение.

Когда ученые определились с химическим названием, символом, атомным номером и атомной массой для каждого из элементов системы, они решили организовать вещества таким образом, чтобы можно было предугадать их химическую активность. Ученым было важно знать, что при реакции между двумя элементами не случится взрыва или выделения ядовитых газов. Лучший способ сделать это – найти между атомами что-то общее, сгруппировать их по физическим и химическим свойствам. Было сделано несколько попыток. Немецкий химик Иоганн Дёберейнер хотел распределить все элементы в группы по три, он заметил, что большие атомы чаще склонны к взрыванию. Вскоре другой немецкий химик, Питер Кремер, попытался объединить две триады, чтобы образовалась Т-образная фигура. Проблема заключалась в том, что при подобном раскладе ученым пришлось бы проверять множество триад, что сильно осложнило бы сравнение одной группы с другой.

Однако было двое ученых, работавших отдельно, – Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер, – которые решили, что можно расставить все химические элементы в одной таблице в зависимости от их атомной массы. Они собрали все Т-образные триады Кремера – словно головоломку – и получили первую таблицу химических элементов.

Уникальность периодической таблицы Менделеева заключается в том, что в ней были два «новых» элемента. Составляя таблицу, химик заметил, что между атомными массами элементов существует закономерность, и понял, что ему нужно оставить место для еще двух элементов, которые только предстоит открыть. Пример: предположим, что учитель математики предложил вам определить пропущенное число в ряде: 2, 4, 8, 10. Надеюсь, вы понимаете, что отсутствует число 6 и что полный ряд должен выглядеть так: 2, 4, 6, 8, 10.

В принципе, Менделеев сделал то же самое. Были группы атомов с одинаковым числом валентных электронов, но структура атомных масс отличалась. Менделеев предположил не только то, что нам предстоит открыть новые элементы, но и то, какой атомной массой они будут обладать. И, как и множество ученых, о которых я уже говорила, Менделеев оказался прав. Галлий (Ga) и германий (Ge) были открыты в 1875 и 1886 годах соответственно, и вот тогда труд Менделеева по-настоящему оценили.

Современная периодическая таблица основана на периодической таблице, созданной Менделеевым. Она состоит из семи периодов и восемнадцати групп. Каждая ячейка – это отдельный элемент; в ячейке пишется основная информация об элементе: химический символ, химическое название, атомный номер, атомная масса. Имея всю информацию под рукой, химики вроде меня и вас могут с легкостью определить количество протонов, электронов и валентных электронов того или иного атома.

Периодическая таблица очень важна для ученых: она может дать много информации об элементах, из которых состоит вся материя этого мира. Важна настолько, что в прошлом году мой университет отпраздновал 150-летие таблицы Менделеева и по этому поводу устроил вечеринку. Там была таблица, выложенная из кексов, я продемонстрировала несколько опытов, декан нашего университета произнес прекрасную речь. Это была самая «ботанская» вечеринка в моей жизни, и знаете, она мне очень понравилась!

В книге есть таблица Менделеева, однако если вам удобнее работать с электронной версией, то я настоятельно рекомендую сайт ptable.com. Я еще буду обращаться к периодической таблице, поэтому мне важно убедиться, что вы знаете, как правильно ею пользоваться. Я буду ссылаться на таблицу в разделе, посвященном здоровью и благополучию. Также она нам понадобится, когда мы будем определять влияние химии на повседневную жизнь. Нам важно знать положение элементов в системе: чем быстрее мы найдем необходимый нам элемент, тем быстрее сможем работать. Понимание периодической таблицы позволит понять, почему вы должны постоянно пользоваться одной и той же маркой шампуня и кондиционера для волос, а также почему ваши торты выглядят совсем не так, как в шоу «Лучший пекарь Британии».

Давайте рассмотрим один пример. Откройте периодическую таблицу и найдите ячейку с химическим символом водорода H в верхней левой части. Если вы посмотрите в верхний левый угол ячейки H, то увидите там число 1. Это атомный номер элемента, и он всегда стоит именно там. В нижней части вы видите число 1,008 – это атомная масса.

Вы можете заметить, что водород располагается в начале столбца. Столбцы называются группами или семействами, а номер группы указывает на количество валентных электронов каждого из элементов. (Помните, что валентные электроны располагаются на внешней оболочке, как наша крутка.)

Говорите как химик

Если вы хотите казаться настоящим химиком, то вычтите число 10 из номеров столбцов периодической таблицы. Большинство ученых ссылаются на группы 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вместо столбцов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соответственно. Дело в том, что номер группы обозначает количество валентных электронов. Мы не используем это «правило» для столбцов 3–12, так как с элементами этих групп закономерность не всегда работает. Для столбцов 13–18 мы используем сокращенную запись, так как количество валентных электронов позволяет нам предсказать, как тот или иной атом будет вести себя в разных средах.

Например, водород стоит в первом столбце, значит, у него может быть только один валентный электрон. Точно такая же ситуация с литием, натрием и остальными элементами первой группы. Из этого мы можем сделать вывод, что все элементы первой группы будут вести себя одинаково в похожих средах и условиях. Важно отметить, что водород (и остальные элементы первой группы) любит отдавать свой электрон и становиться чрезвычайно реакционноспособным. Почему?

Логично предположить, что элемент с одним валентным электроном сделает все, чтобы сохранить этот электрон. Однако на самом деле ситуация обратная. Электрон отталкивается от ядра. Очень странно, правда?

Давайте рассмотрим это подробнее. Мы знаем, что ядро (ваша печень и почки) имеет положительный заряд; электроны (кофта и куртка) будут притягиваться к положительно заряженному ядру. Но если к атому присоединяются еще несколько электронов, то появляется вероятность, что электроны будут отталкиваться от ядра. Другими словами, ваша кофта буде отталкивать куртку. Следовательно, ядро не будет пытаться удержать один или два валентных электрона, наоборот: внутренняя оболочка начнет отталкивать валентные электроны на внешней (или ваша кофта начнет отталкивать куртку).

Именно поэтому атомы с двумя электронами чрезвычайно реакционноспособные. Они стабильнее элементов с одним электронов, однако свои валентные электроны отдают так же легко. Бериллий, магний, кальций и стронций являются прекрасными примерами элементов с двумя валентными электронами. Их электроны отталкиваются от ядра точно так же, как и электроны первой группы.

Углерод и кремний располагаются в четвертом столбце, так что у них по четыре валентных электрона. Следовательно, в одной и той же среде эти два элемента будут вести себя похоже. Так как химики уже знают, что углерод и кремний являются стабильными элементами, мы думаем, что любой элемент четвертой группы будет также стабилен – например, как германий, олово или свинец.

Менделеев оказался прав, когда думал, что будущие химики захотят предсказать, как элементы будут взаимодействовать друг с другом. Именно поэтому он создал периодическую таблицу такой, какой мы ее видим сейчас, – основанной на атомных массах и валентных электронах элементов. (Это также объясняет и то, почему форма таблицы напоминает чашу, а не прямоугольник. Свободное пространство в верхней части позволяет расположить элементы в соответствии с их физическими и химическими свойствами.)

Если вы будете двигаться вниз по столбцу периодической таблицы, то обнаружите, что атомы становятся все больше. По правде говоря, самые крупные атомы располагаются в нижнем левом углу, а самые маленькие – в верхнем правом.

Каждая строка – или период (отсюда и название таблицы) – это дополнительный «слой» электронов для определенного атома. По мере того, как вы перемещаетесь по строке (слева направо), атомы будут становиться все меньше и меньше. Кажется странным, да? Как гелий может быть меньше водорода?

По мере продвижения вправо каждый элемент получает дополнительный протон и электрон. Это означает, что положительный заряд увеличивается всякий раз, когда увеличивается атомный номер элемента. Чем больше положительный заряд, тем сильнее к ядру притягиваются валентные электроны.

Например, атомная масса водорода составляет +1. Так как он располагается в первой группе, то имеет один валентный электрон. Следовательно, заряд +1 ядра притягивается к заряду –1 электрона.

А теперь давайте сравним это с притяжением внутри атома гелия. Так как гелий располагается во второй группе, то у него имеется 2 протона и 2 электрона. Притяжение между зарядом ядра и зарядом электронов гелия намного сильнее, чем притяжение между зарядом ядра и зарядом электрона водорода. Это значит, что валентные электроны гелия притягиваются к ядру с большей силой. Следовательно, атомный радиус будет меньше атомного радиуса водорода.

Если мы посмотрим на отталкивание электронов и притяжение между протонами и электронами, то заметим некоторые закономерности. Существует простой способ, с помощью которого можно запомнить, как работают периоды и группы: многослойный франций (авторский термин. – Прим. науч. ред.). Франций является одним из самых больших атомов в периодической таблице, и он располагается в левом нижнем углу с атомным номером – 87. Он имеет 87 протонов, 87 электронов и около 136 нейтронов. Если бы франций был человеком, то на нем было бы ОЧЕНЬ МНОГО одежды.

С помощью таблицы вы также можете узнать, насколько легко «изменить» атом. Помните, что атомы могут терять или приобретать электроны; это сравнимо с тем, как человек снимает или надевает куртку, а в случае с большими элементами, например францием, человек снимает слой одежды.

Мы описываем готовность элемента отдать или получить электрон как сродство к электрону. Большинство элементов в верхнем правом углу, например фтор или кислород, имеют большое сродство к электрону. Это значит, что они всегда могут принять дополнительный электрон от соседнего атома, при этом фтор реакционноспособнее кислорода.

Что такое анион?

Атом, который получает или теряет электрон, мы называем ионом. Термин «анион» используется для обозначения атома, получившего один или несколько электронов, а термин «катион» для обозначения атома, потерявшего один или несколько электронов.

Анион всегда имеет отрицательный заряд, так как количество электронов у него превышает количество протонов. Кроме того, он больше нейтральных атомов. Если бы муж одолжил мне свой пуховик, в нем я казалась бы крупнее. Атом, получивший дополнительный электрон (который теперь называется анионом), станет крупнее. В качестве примера возьмем фтор. Атомы фтора всегда готовы принять один электрон, чтобы превратиться во фторид-ион ([F]-). В нейтральном состоянии фтор бесполезен для человеческого организма; однако, как только он превращается во фторид, то он сразу становится полезным макроэлементом. Например, с помощью фторида можно предотвратить развитие кариеса или стимулировать рост костей в организме. Трудно представить, что один крошечный электрон может иметь такое большое влияние на химические свойства атомов.

Термин «катион» используется для классификации атомов, потерявших один или несколько электронов. Вернемся к примеру с пуховиком моего мужа. Отдав его мне – отдав электрон, – он стал бы катионом. Катионы всегда обладают положительным зарядом, так как количество протонов в них превышает количество электронов. Катионы на вид меньше нейтральных атомов. То же самое произошло бы с моим мужем, если бы он отдал мне пуховик, – он бы визуально уменьшился.

В отличие от анионов, катионы располагаются в верхнем левом углу периодической системы, например литий и бериллий. У этих элементов имеется один или два валентных электрона, которые легко могут быть переданы другому атому. Именно поэтому такие элементы с большей вероятностью станут катионами, а не анионами.

Особенно это относится к элементам, расположенным в первой группе, например к литию. Чтобы стать катионом лития (Li+), его атому нужно отдать один электрон. Ионы катиона лития используются при лечении биполярного расстройства: с его помощью можно воздействовать на чувствительность мозга к дофамину. При этом нейтральный литий не оказывает никакого полезного воздействия на человеческий организм. И снова мы наблюдаем, как приобретение или утрата одного электрона может сильно изменить физические свойства атома.

Напоследок я хочу рассказать вам о восьмой группе (восемнадцатый столбец). Элементы в ней инертны или неактивны: они не хотят приобретать или отдавать электроны. Знаете, когда я думаю о таких элементах, как гелий или неон, сразу представляю человека, который решил провести субботний вечер дома в одиночестве, а не на шумной вечеринке. Все элементы этой группы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) принято называть инертными газами, они очень редко вступают в химические реакции с другими элементами.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычная шпаргалка. Посмотрев на нее, мы увидим открытия тысяч – или сотен тысяч – ученых по всему свету. С помощью таблицы можно делать множество удивительных вещей: проводить диагностики и исследования для выявления рака, изобретать полупроводники, которые потом будут работать в солнечных панелях… Даже литий-ионные батареи в вашем ноутбуке или телефоне – это результат взаимодействия элементов из периодической таблицы (батареи работают только из-за того, что электроны движутся внутри атомов и между ними). По правде говоря, чем лучше вы понимаете основную структуру атома, тем легче вам будет понять, как проходят электронно-протонные взаимодействия.

А теперь, когда мы разобрались, как устроен атом – протоны, нейтроны, электроны, – самое время увидеть, что же происходит, когда объединяются два атома разных элементов. И именно здесь химия становится очень интересной: знаете, притяжение между атомами похоже на свидание или встречу с другом. Будет ли их тянуть друг к другу? Как они отреагируют? Смогут ли они сформировать связь?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

В предыдущей главе вы узнали, что атомы являются строительными блоками буквально всего во Вселенной. Но как эти блоки собираются вместе и формируют объекты? Например, компьютер? Или салатный соус? Или ледяное пиво?

С помощью электронов.

Если два или более атома соединяются, то образуется связь и происходит обмен или передача электронов. Связь могут иметь молекулы или сложные вещества. Отдельный атом никогда не станет молекулой или сложным веществом, потому что он всегда остается просто «атомом».

Но прежде чем мы перейдем к химическим реакциям, вам важно понять, что очень часто химики называют совокупность молекул «видом», «веществом» или даже «системой». Эти термины являются синонимами и обозначают одно и то же – совокупность молекул. Итак, когда я говорю о виде, вы должны понимать, что я имею в виду совокупность молекул. А когда я говорю о молекуле, то тут уже все и так понятно. Круто? Круто.

Сформированные между атомами связи увидеть очень легко, если понимать, что искать и куда смотреть: например, как соль растворяется в океане или как маска для лица «растворяет» комедоны. Атомы притягиваются друг к другу, и в этом они очень похожи на нас, людей! Так как протоны обладают положительным зарядом, а электроны – отрицательным, происходит нейтрализация (а это именно то, к чему стремятся все атомы).

Когда атомы находятся рядом друг с другом, они испытывают взаимное притяжение. Поскольку электроны располагаются снаружи атома, а протоны – внутри, то происходит два притяжения.

Пример: у нас есть два атома, атом А и атом В. Электроны атома А будут притягиваться к протонам атома В, а электроны атома В – к протонам атома А. Единственное, что может помешать электронам и протонам соединиться, так это то, что электроны двух атомов будут отталкивать друг друга.

Атомы могут не образовать связь, если они будут находиться слишком близко друг к другу. Если в кофейне о вас начнет тереться незнакомец, вы оттолкнете его, верно? Когда незнакомец вторгается в наше личное пространство, мы всегда стараемся создать дистанцию – нам просто будет так комфортнее. Иногда это означает, что нам нужно встать и уйти; у атомов этот процесс происходит точно так же. Если электроны одного атома находятся слишком близко к электронам другого, то они отталкиваются друг от друга и отдаляются на некоторое расстояние.

В конце концов, два атома могут находиться на идеальном расстоянии, при котором притяжение между электронами и протонами будет сильнее отторжения между двумя видами электронов. Проще говоря, притяжение между протоном и электроном достигнет своего максимума, а отторжение между электронами – минимума. Когда происходит такая ситуация, может образоваться связь.

Давайте представим, что вы и незнакомец из кофейни находитесь на комфортном расстоянии и заводите разговор. Если вас притягивает друг к другу, вы перейдете на следующую ступень: установление постоянной связи. Вероятно, вы встретитесь еще пару раз за чашечкой кофе или обменяетесь номерами телефонов. Но так как мы все-таки говорим о соединении атомов, то представим, что на следующей ступени они берутся за руки.

Когда атомы «берутся за руки», они образуют связь. По сути, связь в химии – это соглашение между двумя атомами. Теперь они будут всегда вместе, до тех пор, пока не появится более привлекательный атом. Представим, что я держусь за руки с прекрасным незнакомцем, и я буду делать это до тех пор, пока в помещение не войдет Райан Рейнольдс. Тогда я отпускаю руку того прекрасного незнакомца и бросаю его, чтобы установить «лучшую» связь. То же самое происходит с атомами.

Но есть небольшое различие. Я могла бы уйти в закат с Райаном Рейнольдсом и быть той же самой Кейт, которая недавно вошла в кофейню, и той же девушкой, которая держала за руку незнакомца. Ни Райан, ни незнакомец не забрали мою руку или ногу, верно? К сожалению, у атомов А и В не всегда все проходит так мирно.

В отличие от меня и незнакомца, когда два атома решают соединиться друг с другом, они перестают существовать как два отдельных, независимых атома. Когда они образуют связь, сразу же происходит обмен электронами. Поэтому иногда после распада связи атом А может иметь один или два электрона атома В.

Но когда атомы остаются вместе, мы стараемся проанализировать, насколько равномерно электроны распределяются между ними. И чтобы сделать это, нам нужно изучить характер атома, исследовать его состав. Самый простой способ сделать это – классифицировать атом как металл или неметалл. К счастью, отличить два этих типа друг от друга очень просто как в лаборатории, так и в обычной жизни.

Для начала, если металлы очистить, то они очень красивые. Металлы, например золото, кобальт или платина, блестят: они обладают способностью отражать падающий на них свет. К тому же большинство металлов имеют свойства ковкости и пластичности, благодаря чему они идеальны для изготовления ювелирных украшений. (Мы используем эти термины для описания металла, форму которого можно изменять.) Металлы также обладают высокой теплопроводностью, о чем вы, скорее всего, уже знаете: вы обожжетесь, если прикоснетесь к горячей кастрюле на плите. А кроме того, высокой электропроводностью. Это означает, что электроны большинства металлов могут перемещаться между металлами практически без сопротивления. Именно поэтому стоять во время грозы с зонтом – не самая лучшая идея. Металл, из которого обычно делается ручка (а также верхняя часть зонта), притягивает к себе молнию. А так как металлы хорошо проводят электрический ток, то именно из-за электронов люди умирают от удара током. С другой стороны, мы очень часто пользуемся этим свойством металлов, например, когда делаем аккумуляторы для телефонов.

Металлы с легкостью отдают свои электроны другим атомам, но при этом они редко образуют связи, в которых им нужно принимать чужие электроны. Металлы очень похожи на Санта-Клауса: он очень любит дарить подарки, но не любит их получать! (К сожалению, у атомов нет эквивалентов молока и печенья.) При объединении с другим металлом они должны принять чужой электрон; поэтому они стараются избегать подобных связей.

Элементы из группы неметаллов не отражают свет, непластичны и не обладают ковкостью. Термин «ковкость» используется в том случае, если вещество (обычно это металл) можно вытянуть в тонкую проволоку. Но что определяет неметаллы? Ну, они не являются металлами. (Да-да, я знаю, что это очевидно.) Большинство твердых неметаллов не блестят. Газообразные неметаллы в основном бесцветны, а это значит, что мы даже не можем увидеть эти элементы или сделать из них украшения.

Что вам еще нужно знать о неметаллах? Они обладают плохой тепло- и электропроводностью. Электроны с трудом двигаются в подобных элементах, так что многие из неметаллов инертны. (Вот почему все инертные газы, о которых я рассказала вам в прошлой главе, не вступают в химические реакции.) Проще говоря, их электроны не могут переходить от одного атома к другому так же легко, как у металлов.

Большинство неметаллов располагаются в верхнем правом углу периодической таблицы, начиная с углерода в четвертой группе и так по восьмую. В периодах ниже углерода неметаллы располагаются выше диагонали кремний – астат.

Металлов в пять раз больше, чем неметаллов, но при этом 99 % всего во Вселенной состоит из водорода и гелия – неметаллов! Другой неметалл – газообразный кислород – очень важен для выживания человечества. Самое интересное, что некоторые неметаллы стабильны, а некоторые – невероятно реакционноспособны.

Возможно, вам интересно, почему я так много времени уделяю металлам и неметаллам. Дело в том, что состав атома (это металл? или нет?) – первое, что необходимо понять перед определением того, какой тип связи образуется внутри молекулы того или иного элемента. В химии есть два основных вида связи: ковалентная и ионная.

Давайте начнем с ковалентной.

Простейшая форма ковалентной связи – это одинарная связь. Она образуется в том случае, если между двумя атомами есть одна общая электронная пара. По правде говоря, все ковалентные связи образуются тогда, когда у двух атомов появляются общие электронные пары. При одинарной связи каждый атом отдает по одному электрону. Давайте вернемся к предыдущему примеру и рассмотрим связь, которую я установила с Райаном Рейнольдсом.

Представим, что Райан левой рукой держит меня за правую руку. Между нами есть два электрона, и мы находимся на расстоянии вытянутой руки. На таком расстоянии я начинаю чувствовать, что мои «электроны» притягиваются его «протонами». И тут Райан решает образовать двойную связь: он поднимает свою свободную правую руку и берет меня за мою левую. Теперь мне нужно немного повернуться, чтобы нам было удобно. Расстояние между мной и Райаном сокращается; теперь мы стоим лицом к лицу. Наша «связь» стала крепче, так как между нами образовалось две связи. (Отсюда и происходит название «двойная связь».)

Двойная связь намного прочнее одинарной, а из-за расположения электронов атомы могут находится близко друг к другу. При двойной связи между двумя атомами располагаются четыре электрона: по одному в каждой «руке».

Чтобы образовать тройную связь, Райану нужно будет обхватить меня ногой (только не рассказывайте моему мужу!). Тройная связь позволяет атомам находиться невероятно близко друг к другу. Теперь мы с Райаном образовываем три связи: по связи на каждую пару рук и еще одна в том месте, где он обхватывает меня ногой. У нас есть три общих места, где мы обмениваемся электронами.

Немного математики: у нас есть три связи, в каждой связи – два электрона. Получается, что у нас есть шесть электронов, общих для двух атомов. Это одна из причин, почему тройная связь обладает большой прочностью и почему ее так сложно разорвать. К тому же в тройной связи атомы располагаются ближе друг к другу, так как у них есть шесть общих электронов.

Одинарные, двойные и тройные связи являются самыми распространенными типами связей в ковалентных молекулах. Вы взаимодействуете с ними постоянно. Например, они есть в вашем шампуне, зубной пасте или даже кружке утреннего кофе – а еще в вашей одежде, косметике и дезодоранте. Чуть позже я расскажу о том, что ковалентные связи постоянно окружают нас, где бы мы ни находились. Осмотритесь: большинство вещей возле вас содержат ковалентную связь. А я даже не знаю, где вы сейчас! Вот настолько распространены ковалентные связи в нашем мире.

Ученые определяют ковалентные связи по тому, как атомы делят электроны. Распределение происходит равномерно? Или один из атомов постоянно забирает себе все электроны? Если два атомы распределяют электроны поровну, то связь называется чисто ковалентной. Она может образоваться только в том случае, если электроны атома А притягиваются к протонам атома В так же сильно, как и электроны атома В притягиваются к протонам атома А.

Возможно, вам будет чуть проще, если вы начнете думать о чисто ковалентных связях как о романтических отношениях. Я могу установить чисто ковалентную связь только в том случае, если мое сердце будет притягиваться к телу другого человека, а его сердце будет притягиваться к моему телу. Как сильно его внутренности будут притягиваться к моей внешности? Если притяжение с обеих сторон одинаковое, то образуется чисто ковалентная связь.

Однако, как и в любви, очень редко случается так, чтобы между атомами было совершенно одинаковое притяжение. Большинство притяжений не сбалансированы. Когда атомы притягиваются друг к другу с разной силой, это уже не чисто ковалентная связь. Такая связь называется полярной ковалентной. Давайте немного поговорим об электрических силах в притяжении – и нет, я говорю не о пробегающей искре между вами и очень милым незнакомцем. С помощью электроотрицательности химики определяют, как сильно электроны атома А притягиваются к протонам атома В. Полярные ковалентные связи образуются в том случае, когда два атома обладают разной электроотрицательностью; при этом в чисто ковалентной связи электроотрицательность атомов одинаковая.

Ну как, вы все еще держитесь? Отлично. Напомню, что в чисто ковалентной связи два атома в равной степени обмениваются электронами. Однако в полярной ковалентной связи один из атомов притягивается сильнее другого. Как правило, ученые знают, какой электроотрицательностью обладает тот или иной атом. Все это можно найти в периодической таблице. Атомы с высокой электроотрицательностью расположены в верхнем правом углу рядом с фтором, кислородом, азотом и хлором. Эти четыре атома привлекают другие. Например, самые электроположительные атомы – которые практически не притягивают к себе – расположены в верхнем левом углу периодической системы. К ним, например, можно отнести литий, бериллий, натрий и магний.

Химики хотят выяснить, какой атом обладает большей электроотрицательностью внутри полярной ковалентной связи, так как им важно понимать, к какому атому притягиваются электроны. Положение электронов внутри молекулы определяет ее поведение с другими молекулами. Не забывайте, что химики обожают предсказывать результаты химических реакций.

Многие химики считают молекулы с равномерным распределением электронов скучными, ведь они, как правило, не вступают в реакции и взаимодействуют только с точно такими же молекулами, у которых электроны внутри распределены равномерно. Молекулы с неравномерным распределением электронов отличаются высокой реакционной способностью. И химики вроде меня обожают работать с такими, ведь такие молекулы предпочитают взаимодействовать с другими реакционноспособными молекулами.

А теперь давайте представим, что в периодической таблице указано, что Райан Рейнольдс в связи со мной является менее привлекательным партнером (он электроположительный^[2]). Так как я электроотрицательнее его, можно предположить, что в скором времени валентные электроны Райана попытаются покинуть его тело и встроиться в мое. Электроны через ковалентную связь в наших руках будут перемещаться сначала от его руки к моей, а затем вверх, пока не достигнут моих плеч. Тогда они останутся в моем теле до тех пор, пока связь не разрушится. В момент разрушения связи эти электроны могут либо покинуть мое тело, либо остаться со мной навсегда.

Давайте рассмотрим такое взаимодействие в реальности. Когда между углеродом и фтором образуется связь (C – F), ученые первым делом смотрят в периодическую таблицу. Очень важно определить, какой атом будет более электроотрицательным. (В данном случае более электроотрицательным будет фтор.) Из этого мы понимаем, что валентные электроны углерода переместятся к фтору через образованную ковалентную связь.

Так как электроны с большей электроотрицательностью забирают большую часть электронов в связи, очень часто им присваивается символ «частичного» негативного заряда (δ—). Электроотрицательный электрон притягивает электроны, поэтому обладает частично негативным зарядом. Как вы уже понимаете, электроположительный атом, только что потерявший часть своих электронов, будет иметь частично положительный заряд (δ+). Слово «частично» указывает на то, что электроны не до конца распределились между атомами – обычно это происходит в ковалентных связях («руки» атомов).

Все это прямо противоположно связям, образующимся между металлами и неметаллами. Связь металл – неметалл возникает точно так же, как и ковалентная: атомы находятся достаточно близко друг к другу и между ними появляется притяжение. Но, в отличие от ковалентных связей, такой тип связи образуется только в том случае, если электроны передаются от одного атома к другому. А точнее, когда металл передает свой электрон неметаллу. В момент передачи образуется ионная связь.

Очень важно понимать, что при образовании ионной связи атомы не имеют общих электронов. Они передают свои электроны, из-за чего образуется положительный ион металла и отрицательный ион неметалла (в отличие от частичных зарядов в ковалентных связях). Всегда помните, что противоположности притягиваются, из-за чего катион металла будет невероятно сильно тянуться к аниону неметалла.

Если ковалентную связь можно сравнить с двумя людьми, состоящими в здоровых отношениях, где любовь дают и принимают, то ионную связь можно сравнить с отношениями, где один только дает, а другой – только забирает. Ионная связь является односторонней, так как катион (с меньшим количеством электронов) всегда отдает, а анион (с бо́льшим количеством электронов) всегда принимает.

Как и ковалентные, ионные связи постоянно вокруг нас. Например, столовая соль образована с помощью ионной связи между атомом натрия и атомом хлора. Когда натрий (металл) отдает свой электрон хлору (неметалл), атом хлора становится анионом, а атом натрия – катионом. В столовой соли хлор – это «принимающий» партнер, а натрий – «отдающий».

Теперь, когда вы понимаете основы образования ковалентных и ионных связей, давайте перейдем к более интересным вещам.

Секретная формула

Для записи атомов в молекуле мы используем молекулярные формулы. Есть два типа формулы: структурная и сокращенная. Большинство людей знакомы с сокращенной молекулярной формулой, из которой понятно, какие атомы находятся в молекуле и в каком соотношении.

Давайте поговорим о H₂O. Вода имеет два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее сокращенной молекулярной формулой будет H₂O. Индекс два после водорода указывает на то, что вода состоит из двух атомов водорода. В сокращенных молекулярных формулах индекс всегда пишется после атома, к которому он относится.

Однако из сокращенной молекулярной формулы непонятно, какие связи образованы внутри молекулы. Если вы посмотрите на молекулярную формулу H₂O, то можете (неверно) предположить, что молекула выглядит вот так: H – H – O. Может показаться, что два атома водорода связаны друг с другом; однако на самом деле молекула воды образуется в том случае, когда каждый атом водорода связан с атомом кислорода, и выглядит вот так: H – O – H. Вы не можете просто посмотреть на H₂O и сразу же определить, как связаны между собой атомы водорода и кислорода (конечно, если вы не сильны в химии).

Мы, химики, используем формулу другого типа – структурную молекулярную, чтобы обозначить расположение атомов в молекуле. Так как каждый атом водорода связан с атомом кислорода, его структурная формула выглядит вот так: HOH. Из этой формулы понятно, что водород А связан с атомом кислорода, который также связан с водородом В: H – O – H. Но как понять, какую формулу нужно использовать? Это зависит от обстоятельств.

Химики предпочитают структурные формулы, поскольку из них можно извлечь больше полезной информации. Однако при работе с молекулой, содержащей громадное количество атомов, нет смысла составлять структурную формулу, ведь она получится длинной, сложной и неудобной. Следовательно, самым распространенным способом записи молекулы будет сокращенная молекулярная формула.

Помните, я как-то говорила, что в двойных и тройных связях расстояние между атомами должно быть небольшим? Все из-за того, что молекулы имеют уникальную форму. Возможно, вы удивитесь, если я скажу, что форма молекулы не определяется атомами, из которых она образована. На самом деле ее форма зависит от того, чем одержимы все химики. От электронов.

Еще в 1950-х годах два химика, Рональд Гиллеспи и Рональд Синдей Найхолм, заметили некоторые закономерности в форме молекул. Неудивительно, что они быстро определили зависимость формы молекулы от расположения электронов в пространстве, а не от идентификации атомов. В 1957 году Гиллеспи и Найхолм опубликовали теорию ОЭПВО (теория отталкивания электронных пар валентной оболочки), благодаря которой можно было с точностью предсказать геометрическую форму любой молекулы, зная количество и расположение электронов.

Например, мы знаем, что молекула с двумя атомами имеет линейную форму. Не существует другого способа объединения двух атомов с помощью одной связи. Все молекулы с двумя атомами будут иметь линейную форму, вне зависимости от того, из каких атомов они состоят.

Угарный газ – это классический пример двухатомной молекулы. Углерод и кислород создают тройную связь между своими атомами, а поскольку атомов всего лишь два, молекула имеет линейную форму. Однако этот прозрачный, не имеющий запаха газ очень опасен для человека, а также легко воспламеняется. Когда вы вдыхаете угарный газ, его крошечная молекула связывается с гемоглобином в вашей крови и заменяет собой молекулы кислорода. Вот поэтому большое количество «тихого убийцы» может быть смертельным.

Благодаря экспериментам Гиллеспи и Найхолм смогли «подогнать» теорию ОЭПВО под молекулы с любым количеством атомов. Основную идею, на которой строится эта теория, вы уже поняли: одни электроны всегда будут отталкивать другие.

Мне нравится идея того, что электронам внутри молекулы нужно личное пространство, а это означает, что каждая связь должна располагаться как можно дальше от других связей. То, как располагаются электроны, химики называют геометрией электронов в молекуле. Не забывайте, что все дело в электронах, так как форма молекулы зависит от их общего количества и соотношения.

Гиллеспи и Найхолм выделили пять видов геометрий для описания положения электронов в молекуле. Может показаться, что форма молекулы не так важна, но на самом деле с ее помощью можно определить, как внутри распределены электроны. Они распределены равномерно? Или нет? Если мы объединим электроотрицательность молекулы с ее формой, то сможем определить, как две молекулы будут взаимодействовать друг с другом.

Предположим, что в молекуле есть один центральный атом (А) и какое-то количество связывающих электронных пар. В нашем примере центральный атом всегда будет находиться в середине молекулы, а связывающие электронные пары будут располагаться вокруг него. Это означает, что молекула с тремя атомами будет иметь молекулярную формулу AX₂с центральным атомом А и двумя атомами Х вне молекулы.

Согласно «теории отталкивания электронных пар валентной оболочки», два атома Х в молекуле попытаются отдалиться друг от друга на максимальное расстояние, но они все равно будут располагаться возле атома А. Например, один атом Х будет справа, а другой – слева, под углом 180°. Идеальный пример такой формы – это углекислый газ. Такую же форму имеет молекула сухого льда, моего любимого криогенного вещества.

Логично, что молекула с четырьмя атомами будет иметь молекулярную формулу AX₃. В этом случае три атома Х равномерно распределены вокруг центрального атома А. Конфигурация такой молекулы называется «равносторонний треугольник», так как между каждой из связей образован угол 120°. Слово равносторонний было добавлено для того, чтобы указать, что такие молекулы плоские, как, скажем, лист бумаги.

Формальдегид (CH₂O) – это идеальный пример равносторонней плоской молекулы, а также одно из самых «запутанных» химических веществ. Наше тело самостоятельно вырабатывает эту молекулу, но также формальдегид содержится в брокколи, шпинате, моркови, яблоках и бананах. Высокие концентрации способны разово приводить к остротоксическим последствиям, в то время как длительное воздействие малых, но уже небезопасных концентраций формальдегида приводит к хронической токсичности. Чаще всего с ней сталкиваются рабочие на заводах. Острая же токсичность может возникнуть, скажем, в случае отравления при аварии на предприятии.

Плоские молекулы – это прямая противоположность причудливым молекулам с пятью атомами. Они будут иметь формулу AX₄– тетраэдр с четырьмя гранями. Атомы Х располагаются на максимально большом расстоянии; углы между связями составляют 109,28°. Такую молекулу нельзя нарисовать на листке бумаги, поскольку она имеет форму тетраэдра (не двумерная). Два атома будут располагаться на листке бумаги, в то время как один атом Х окажется над листком, а другой атом Х – под ним. Помните, что согласно теории ОЭПВО атомы стараются находиться на максимальном расстоянии друг от друга.

Другими словами, атомы в крупных молекулах будут нарушать плоскость, так как иначе электроны начнут отталкиваться. Идеальный пример молекулы с формой тетраэдра – метан (CH₄). Это газ, который подается в газовые трубы, а не газ, который можно почувствовать при утечке. (Он называется метантиолом или метилмеркаптаном, и у него запах тухлых яиц. Его начали добавлять к природному газу еще в 1937 году после взрыва Лондонской школы в Нью-Лондоне, штат Техас, из-за утечки газа. В результате взрыва погибло 300 учеников и учителей. Метантиол имеет резкий запах, благодаря чему люди могут быстро заметить утечку.)

Молекулы с шестью атомами имеют форму AX₅и представляют собой тригональную бипирамиду. Представьте, что над и под плоскостью располагается по одному атому. Затем добавьте три атома в плоскости, расположенных под углом 120° друг к другу. Ох, вы уже запутались? Хорошо, давайте я попробую объяснить на примере нашего тела. Если бы оно имело форму тригональной бипирамиды, то атом А был бы вашим туловищем. Один атом Х был бы вашей головой, а другой атом Х – вашими ногами. Еще один атом Х располагался бы напротив ваших бедер. Еще два атома располагались бы напротив правой и левой ягодиц. Это сложная молекула, которая, что удивительно, довольно симметрична.

Молекулы с семью атомами похожи на молекулы с шестью. Один атом находится над плоскостью, другой – под плоскостью. Но теперь другие четыре атома расположены в плоскости под углом 90° друг к другу. Еще четыре атома: напротив вашего правого бедра, левого бедра, правой ягодицы и левой ягодицы. Такая форма называется октаэдром, поскольку все подобные молекулы имеют восемь граней.

На сегодняшний день идеальным примером молекулы с семью атомами считается гексафторид серы (SF₆). Если человек вдохнет этот газ, его голос сразу станет грубым и низким; эффект прямо противоположен эффекту от вдыхания гелия. (Это также газ, который стал причиной скандала «FartGate» в шоу Венди Вильямс. Посмотрите видео, если еще не смотрели. Там задействован именно он.)

Теория ОЭПВО помогает ученым узнать, как именно электроны располагаются вокруг центрального атома молекулы. Однако некоторые молекулы, как кофеин в кофе, этанол в пиве или углеводы в чипсах, имеют несколько центральных атомов. В таких случаях мы совмещаем геометрию всех центральных атомов молекулы и определяем общую форму.

Давайте рассмотрим это на примерах молекул, содержащих более пятидесяти атомов. К таким относятся цис-и трансжиры.

Несколько лет назад Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) дало всем производителем пищевой продукции три года на то, чтобы они смогли найти способ удалить трансжиры из своих продуктов. В США использование трансжиров официально запретили в июне 2018 года. Однако на использования цис-жиров не было наложено никаких ограничений. И это может слегка удивлять, так как цис- и трансжиры имеют одинаковые молекулярные формулы, кроме того, их можно получить в ходе похожих процессов.

Единственное отличие заключается в форме молекулы. Если трансжиры внешне похожи на зубочистку, то цис-жиры похожи на зубочистку, сломанную пополам.

Когда трансжиры попадают внутрь организма, в артерии, они могут связаться с другими трансжирами. Тогда они начинают накапливаться в определенном месте, из-за чего происходит закупоривание. Иногда трансжиров собирается так много, что они полностью забивают артерию и препятствуют оттоку насыщенной кислородом крови от сердца. Одним из опаснейших последствий этого является инфаркт. Подобную ситуацию можно с легкостью представить на примере чего-то «реального». Например, что вы берете несколько зубочисток, собираете их вместе, а затем помещаете в конец шланга. Если зубочистки располагаются вплотную друг к другу, то вода не сможет через них пробиться.

А теперь представьте, что сначала вы сломаете эти зубочистки пополам. Вы сможете так же аккуратно закупорить ими конец шланга? Сомневаюсь. Как бы вы ни старались, все равно останутся зазоры, через которые будет просачиваться вода; то же самое и с цис-жирами, которые не могут так же легко закупорить артерии.

Надеюсь, из этого примера вы поняли, что форма молекулы действительно важна (и для химии, и для ваших артерий). По форме молекулы можно понять, где располагаются электроны, как молекула будет выглядеть в трехмерном пространстве и, что гораздо важнее, как именно электроны образуют связи между атомами.

Но сперва давайте рассмотрим атомы повнимательнее.

Во-первых, у каждого слоя атома есть карманы – карман нижнего белья, карман рубашки, карман пальто. Каждый из этих карманов представляет собой атомную орбиталь. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Три, четыре или больше – никогда; в карманах нет свободного места, к тому же ни один из них не сможет справиться с зарядом третьего электрона. Не забывайте, что электроны постоянно отталкиваются друг от друга, поэтому им нужно много свободного пространства.

По правде говоря, даже если на орбитали есть только два электрона, они испытывают ужасный дискомфорт. Чтобы минимизировать отталкивание, они вращаются в противоположных направлениях: один – по часовой стрелке, другой – против.

Давайте поэкспериментируем. Пусть ваша левая рука будет двигаться по часовой стрелке, а правая – против. Я каждый год провожу такие демонстрации для своих студентов и выгляжу очень глупо. Не могу заставить свои руки двигаться в противоположных направлениях… Студенты постоянно смеются надо мной. Но вы знаете, почему электроны двигаются в противоположных направлениях? Это может показаться странным, но именно так они стабилизируют атом. Движение по кругу позволяет электронам разойтись по малой орбитали, благодаря чему они всегда находятся на максимальном расстоянии друг от друга.

Я могу предугадать ваши мысли: сейчас вы, скорее всего, думаете, что получили совершенно бесполезную информацию. Почему вас должны волновать какие-то орбитали и то, сколько электронов там помещается? Как эти орбитали влияют на вашу жизнь?

Честно говоря, я понимаю, почему вы задаетесь подобными вопросами. Но атомы и молекулы в реальной жизни встречаются, мягко говоря, часто. Посмотрите на что-то простое, например, на свою одежду. Молекулы в красителях придали вашей рубашке красный или синий цвет. От расстояния между молекулами зависит то, насколько дышащей будет ткань или как хорошо она будет отводить пот, если вы носите влагоотводящее термобелье.

А орбитали? Их наука намного сложнее и, как мне кажется, красивее.

Четвертого июля^[3] мы видим, как электроны перемещаются между орбитами при запуске фейерверков. Если фейерверк красный, значит, электроны перемещаются на соседние орбитали, а если зеленый, значит, перемещаются на большие расстояния.

Мы также может наблюдать «работу» орбиталей на Хэллоуин каждый раз, когда видим фосфоресценцию – химическое явление, когда вещи светятся в темноте. Мы можем этого не осознавать, но мы постоянно наблюдаем за тем, как электроны движутся по своим орбиталям или переходят на другие. А еще нам очень повезло, что ученые смогли разработать безопасные для человека способы игры с электронами и орбиталями – например, у нас есть бенгальские огни и светящиеся палочки.

Есть четыре типа атомных орбиталей или карманов у атома, где могут располагаться электроны. Это s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Такая классификация была предложена ученым Эрвином Шредингером. В своей статье он установил, как связаны между собой атомы. По правде говоря, за последние сто лет практически ничего не поменялось. Химики вроде меня до сих пор считают, что существуют четыре главных типа атомных орбиталей.

Не забывайте: вне зависимости от формы и размера орбитали на ней могут располагаться только два электрона. Эти электроны должны быть на максимальном расстоянии друг от друга (из-за постоянного отталкивания друг от друга).

Свободнее всего электроны чувствуют себя на s-орбитали, так как она по форме похожа на большой круглый шар. Огромная сфера, в середине которой расположено ядро атома. Это может показаться весьма нелогичным, но буква s в названии от слова sharp (резкий), потому что в лаборатории s-орбитали образуют резкие различия.

Чтобы стало понятнее, давайте рассмотрим простой пример. Возьмем орбиталь с наименьшим энергетическим уровнем; такая орбиталь называется 1s. Каждый отдельный атом в периодической системе содержит 1s-орбиталь. Именно она располагается ближе всего к ядру, и на ней могут располагаться только два электрона. Так как у водорода и гелия имеется только один и два электрона соответственно, их остальные атомные орбитали остаются пустыми. Именно поэтому водород и гелий – это отличные примеры того, почему орбитали важны.

Давайте сначала рассмотрим гелий. На его 1s-орбитали располагается два электрона. Как вы помните, гелий очень стабильный элемент. Он настолько стабилен, что обычно мы используем его для заполнения воздушных шаров. У нас нет никаких опасений насчет этого газа, ведь он инертный. А это значит, что даже если внезапное дуновение ветра подхватит шарик и унесет его к свечам на торте, то ничего не случится. Воздушный шар просто лопнет, а гелий перейдет в атмосферу.

А теперь давайте рассмотрим водород, у которого на 1s-орбитали всего один электрон. В отличие от гелия, водород не является стабильным элементом. Все дело в «свободном» пространстве на орбитали. Водород постоянно находится в поиске еще одного электрона, который сможет занять свободное место; он также может кому-то отдать свой единственный электрон. Водород настолько реакционноспособный элемент, что в природе практически невозможно встретить его в одноатомном виде. Обычно такой водород объединяется с другим и образовывает двухатомный водород (H₂). Если бы вы по ошибке наполнили воздушный шар водородом, а не гелием, то при его соприкосновении с открытым огнем произошел бы огромный взрыв. Упс. Взрывная вечеринка! А все из-за свободного места на атомной орбитали – или свободном месте в кармане атома.

Подобные реакции могут происходить и в том случае, если электроны совершают какие-то движения на следующем уровне: p-орбитали. Здесь p означает principal (главный). Эта орбиталь в форме восьмерки, имеющей две половины: два участка, где располагаются электроны. По правде говоря, существует три одинаковых варианта p-орбитали на любом уровне атома; они соединяются между собой, образуя вокруг ядра шестиконечную звезду.

Каждая p-орбиталь имеет свое место в пространстве. Например, на p_x-орбитали электроны двигаются слева направо вдоль атома; на p_y-орбитали – вперед и назад; на p_z-орбитали – вверх и вниз.

И, по правде говоря, есть нечто загадочное в том, как движутся электроны. Они никогда не касаются ядра, однако могут перемещаться с одной стороны атома на другую. И хотя электроны движутся в разные стороны, они никогда не проходят через ядро. Но как им удается перемещатся с одной стороны атома на другую, при этом не пересекая само ядро? По правде говоря, у нас все еще нет ответа на этот вопрос. В химии до сих пор существует множество непонятных вещей, и это одна из них. Я лишь надеюсь, что смогу застать тот момент, когда ученые приоткроют завесу этой тайны.

Когда происходит перекрывание трех p-орбиталей, образуется фигура, напоминающая звезду. Теперь шесть электронов (3 орбитали · 2 электрона на каждой = 6) двигаются вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами двух видов. Если вы посмотрите на изображение p-орбитали в форме шестиконечной звезды, то заметите промежутки, где электроны не могут существовать. В отличие от s-орбитали, на p-орбитали у электронов гораздо меньше свободного места. Просто идеальная среда для них.

Следующий уровень – это d-орбиталь. По правде говоря, моя любимая. Обычно именно d-орбиталь лежит в основе большей части неорганической химии. Каждая d-орбиталь имеет четыре части или доли, где могут находиться электроны. Внешне d-орбитали похожи на небольшие цветки; ядро располагается в центре, а электроны в лепестках.

Есть пять разных d-орбиталей, и четыре из них имеют одинаковый вид. Единственное различие заключается в их расположении в пространстве. Чтобы лучше понять все это, давайте рассмотрим четырехлопастную d-орбиталь.

Если вы положите книгу на стол, то d-орбиталь будет располагаться на горизонтальной поверхности (расположение 1). А теперь встаньте и приложите книгу к стене напротив вас (расположение 2) и к стене слева от вас (расположение 3). Может быть, вы даже приложили книгу к ширме, разделяющей комнату по диагонали (расположение 4). Таким образом у нас будет четыре различных расположения: (1) плоское, (2) вертикальное, (3) вертикальное, развернутое на 90°, и (4) вертикальное, развернутое на 45°. Каждое другое положение книги в пространстве представляет собой еще одно расположение d-орбитали в атоме.

Пятый вид d-орбиталей имеет странную форму, которую мой преподаватель, профессор, называл «сосиской в бублике». Звучит сомнительно, но я должна отдать должное: это идеальное описание уникальной формы d-орбитали. Лично мне кажется, что эта орбиталь выглядит как p_z-орбиталь с обручем вокруг «талии».

Когда все пять d-орбиталей перекрываются, они образуют цветок странной формы, прямо как p-орбитали образуют шестиконечную звезду. Однако этот цветок представляет собой сложную систему, по которой перемещаются электроны. Благодаря причудливой форме d-орбиталей десять электронов (5 орбиталей · 2 электрона на каждой = 10) могут двигаться вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами.

Последний вид орбиталей – это f-орбиталь. Как вы уже догадались, они самые сложные. Я рассказываю об f-орбиталях только потому, что они круто выглядят.

Всего есть семь разных f-орбиталей; некоторые из них имеют шесть лепестков, некоторые – восемь. На рисунке выше вы можете увидеть изображение самой странной орбитали из всех f-орбиталей. Мы шутливо называем ее «сосиска в двойном бублике», потому что она выглядит точно так же, как и p_z-орбиталь с двумя обручами вокруг талии.

При перекрытии семи f-орбиталей молекула может минимизировать отталкивание между четырнадцатью электронами (7 орбиталей · 2 электрона на каждой = 14). При перекрытии орбитали похожи на странный, причудливый цветок. Обычно с f-орбиталями работают в радиоактивной химии; так что все, что вам нужно знать, это то, что f-орбитали имеют действительно странную и сложную форму.

Но не забывайте: вне зависимости от формы каждая атомная орбиталь может иметь максимум два электрона. Электроны двигаются в противоположных друг другу направлениях, сводя к минимуму возможность контакта. А теперь мы можем подробнее поговорить о том, как перекрывают друг друга разные орбитали.

Первый тип перекрывания, который я хочу обсудить, называется осевым. Такая связь образуется, когда две разные орбитали пересекаются в одном месте.

Представьте себе простейшую диаграмму Венна^[4] с тремя кругами. Если вы уберете один круг, то у вас останется две s-орбитали. Две окружности пересекаются в одном месте: именно так две s-орбитали формируют связь, называемую сигма-связью.

При образовании сигма-связи электроны атома А могут свободно переместиться к протонам атома В (при условии, что атом В электроотрицательнее атома А).

Однако s-орбитали могут образовывать связи не только с другими s-орбиталями. Они также могут сформировать сигма-связи с p-орбиталями. Новая связь формируется в том случае, если s-орбиталь перекрывается одной из частей p-орбитали. Если вы возьмете диаграмму Венна с двумя кругами и превратите один из них в восьмерку, то сможете визуализировать связь между s-орбиталью и p-орбиталью. Электроны с легкостью могут перемещаться от одного атома к другому через место пересечения орбиталей.

Две p-орбитали могут образовать сигма-связь, если они взаимодействуют с помощью осевого перекрывания. При такой связи правая сторона левой восьмерки будет перекрываться левой стороной правой восьмерки (∞∞). Орбитали перекрывают друг друга в одном месте, образуя сигма-связь.

Однако две p-орбитали могут взаимодействовать с помощью бокового перекрывания. Из названия этого перекрывания понятно, что у орбиталей есть два месте пересечения. Такая связь называется пи-связью.

Просто представьте две p-орбитали, расположенные рядом с друг другом (88). Две верхние части будут взаимодействовать между собой точно так же, как и две нижние.

Если вы когда-нибудь слышали о газовой сварке, то уже знаете о данном типе связи. Ацетилен (C₂H₂) – это небольшая молекула углеводорода с прочной пи-связью между атомами углерода. Если мы подожжем этот газ, то тройная связь в молекуле разрушится. При сгорании газа температура пламени составляет максимум 3150°C (5702°F); это отлично подходит для сварки двух металлов.

С помощью орбитальных перекрытий могут образовываться новые связи, так как именно при перекрывании атомы делят между собой электроны. Подобные связи могут быть ковалентными или ионными. Вне зависимости от того, из каких атомов состоит молекула, она всегда будет стараться принять такую форму, при которой валентные электроны будут располагаться на максимальном расстоянии друг от друга.

Это все, что вам нужно знать о связях в молекулах. По крайней мере, сейчас.

И раз уж теперь вы знаете, как образуются связи внутри молекул, я могу рассказать вам о связях между молекулами. Будут ли молекулы образовывать новые ионные или ковалентные связи? Или они просто проигнорируют друг друга и будут болтаться в группах?

3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы

В первых двух главах вы узнали об основах химии: атомах и молекулах. В мире есть очень много атомов. Триллионы триллионов! Бессчетное количество… вы меня поняли. Но мы их практически не видим. Знаете, они очень маленькие: в триллион раз меньше человеческого волоса! Было бы странно, если бы мы смогли видеть летающие вокруг нас атомы…

И даже если бы мы могли видеть атомы невооруженным глазом, то видели бы скопления атомов, а не отдельные частицы. Все потому, что атомы и молекулы любят группироваться, прямо как школьники на вечеринке. Например, когда мы смотрим на уголь для гриля, мы смотрим на группу атомов углерода. А когда группы атомов углерода и кислорода решают объединиться в молекулу углекислого газа, мы видим твердый сухой лед.

В этих двух примерах атомы угля и молекулы сухого льда сгруппированы вместе, и между молекулами и атомами практически нет свободного пространства. Так вот, это расстояние (насколько оно велико) и является определяющим фактором того, что ученые называют фазовым состоянием.

В химии выделяют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. (Существуют и другие, например, коллоиды и плазма, однако я расскажу только о фазах, с которыми мы сталкиваемся чаще всего.) Самый простой способ определить, является вещество твердым, жидким или газообразным, – уронить его и посмотреть, что случится. Например, упавший бокал для шампанского разобьется на осколки, которые разлетятся по всей комнате. Это из-за того, что стекло было в твердом состоянии. Не важно, стекло разбито или нет: осколки остаются осколками. Стекло не превратилось в лужу (как жидкость) и не поднялось в воздух (как газ).

Существуют также промежуточные состояния вещества, которые нельзя отнести к определенной фазе. Да, стекло – это твердое тело. Но если говорить точнее, то стекло – это аморфное твердое тело. То есть оно имеет физические свойства твердых и жидких тел. Однако в данном случае мы будем считать, что стекло – это обычное твердое тело.

Когда ученые рассматривают бокал для шампанского под микроскопом, они видят, что атомы бокала располагаются вплотную друг к другу: они даже не могут двигаться. Им трудно поменять свое местоположение. Молекулы в твердом теле напоминают мне о временах, когда моя маленькая племянница засыпала у меня на руках. Не важно, что происходило вокруг: я не могла пошевелиться, потому что боялась ее разбудить. Молекулы в твердом состоянии ведут себя так же.

На микроскопическом уровне атомы в твердой фазе очень похожи на атомы в жидкой фазе, но есть одно существенное отличие – расстояние между атомами. В жидкостях атомы располагаются на приличном друг от друга расстоянии, благодаря чему могут свободно двигаться, а жидкость – принимать различные формы (например, форму сосуда, в котором она находится). Мы видим это каждый раз, когда падает бокал шампанского: стекло, ударившись о кафельный пол, разбивается на множество мелких осколков, а шампанское течет по плитке, пока не достигнет ее края или шва.

В химии мы обсуждаем форму и объем твердых и жидких тел. Жидкости легко изменяют свою форму, но имеют постоянный объем. У твердых тел объем и форма постоянны. В примере с шампанским напиток принимает форму бокала до тех пор, пока тот не разбивается. Как и любая жидкость, шампанское не имеет постоянной формы.

Давайте рассмотрим пару примеров. Вы кладете твердое тело, например картофель, на дно контейнера. Картофелина остается на том же месте, где вы ее оставили, верно? И если вы переложите ее в кастрюлю, то в обычных условиях картофелина не изменит своей формы. Однако если вы добавите жидкость, к примеру воду, то она растечется по всей кастрюле, равномерно покрывая ее дно.

Представьте себе школьников на танцах. Молекулы в жидкостях медленно танцуют, в то время как молекулы в твердых телах упрямо стоят по углам. Молекулы в жидкостях постоянно двигаются и машут руками в разные стороны, а молекулы в твердых телах стоят как столбы. Жидкость заполняет весь контейнер, а твердые тела сохраняют постоянную форму, потому что их молекулы не танцуют. По правде говоря, молекулы в твердых телах вообще не двигаются.

Большинство жидкостей на нашей планете состоят из молекул. Исключение составляют две: при комнатной температуре бром и ртуть состоят только из атомов. Все остальные жидкости имеют хотя бы одну молекулу. (Например, вода без примесей состоит из молекул Н₂О, а не из атомов водорода и кислорода; при этом ртуть в жидком состоянии состоит из атомов Hg.)

Разница между жидкостью и газом точно такая же, как и разница между жидкостью и твердым телом, – все дело в расстоянии между атомами! Давайте снова обратимся к примеру со школьниками на танцах.

Если твердые тела стоят на месте, а жидкости танцуют медленный танец, то газы танцуют квикстеп. Молекулы движутся на пределе своих возможностей, стараясь «захватить» всю танцплощадку. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не имеют постоянной формы или постоянного объема. Они стремятся заполнить контейнер целиком. Следовательно, если жидкость закрывает дно колбы, то газ пытается быть везде и сразу.

Я уверена, что вы уже знакомы с распространенными газами: кислородом, азотом и гелием. Они постоянно пребывают в движении (даже сейчас, даже внутри вашего дома), так как наша атмосфера состоит из газов. И хотя мы не можем увидеть кислород, почувствовать азот или попробовать на вкус углекислый газ, мы бы не смогли жить без них. Вот почему космонавты носят скафандры: на Луне и в открытом космосе этих газов нет. Именно поэтому аквалангисты таскают на спинах тяжелые кислородные баллоны. Человек может прожить без кислорода около трех минут, после чего наступает смерть (что, я уверена, вы и так знали).

Но здесь, на Земле, вокруг нас летают миллиарды молекул. Бо́льшую часть из них составляют азот (78 %) и кислород (21 %). Значительный 1 % занимает аргон. Кроме того, в нашей атмосфере есть незначительное количество других газов (например, углекислый), а также загрязняющих примесей (например, угарный газ). Когда вы делаете глубокий вдох, то поглощаете смесь газов. Молекулы проходят через нос в легкие и остаются там, пока 4 % кислорода не превратятся в углекислый газ. При выдохе вы выделяете молекулы азота и аргона, примерно 17 % кислорода и 4 % углекислого газа. Существует распространенное заблуждение, что мы выдыхаем 100 % углекислого газа – как вы уже поняли, это неправда.

Выдыхаемый нами аргон – газ весьма стабильный. Ученые используют его каждый раз, когда им нужна инертная среда для проведения реакций. Когда я училась в аспирантуре, то закачивала аргон в колбы с опасными реакциями: отличный способ убедиться в том, что они не взорвутся. Аргон снижал вероятность взрыва до минимума, но должна признать, что такие эксперименты все равно напрягают – в любой момент что-то может взорваться.

Аргон – элемент с атомным номером 18. Как вы уже догадались, это означает, что у него есть 18 протонов и 18 электронов. Несмотря на то, что аргон небольшого размера, он очень плотный.

Когда я на лекциях рассказываю студентам о газах, мне нравится для наглядности использовать воздушные шары, наполненные один аргоном, а другой гелием: так я демонстрирую, какое значение имеет плотность газов. Я держу шарик с аргоном и подбрасываю его. Воздушный шар сразу же падает на пол, потому что аргон тяжелее воздуха. Затем я подбрасываю шарик с гелием, и он сразу же улетает к потолку. Это все, что вам нужно знать о плотности газа.

Чем плотнее газ, тем больше молекул сгруппировано в определенном объеме. Пример: представим, что белье – это молекула; тогда корзина для белья какого-нибудь студента будет «плотной», потому что доверху набита грязным бельем. С другой стороны, у Мари Кондо^[5] была бы «менее плотная» корзина для белья, так как она оставляет только ту одежду, которая вызывает у нее подлинную радость (и потому, что она лучше следит за своими грязными вещами, чем студенты).

Менее плотные газы, например водород или гелий, поднимаются вверх, так как они легче воздуха. Такие газы идеально подходят для воздушных шаров, о которых мы говорили выше. Как вы уже поняли, чтобы воздушный шар не улетел, его нужно привязать к чему-нибудь или утяжелить.

Но как газ вроде гелия может менять свое состояние? Переходить из газообразной формы в жидкую или из жидкой в твердую? Такие переходы, которые вы, возможно, когда-то изучали в школе, происходят вокруг нас каждый день. Таяние, испарение, конденсация или заморозка – это процессы, происходящие из-за изменения расстояния между молекулами в определенном веществе.

Один из простейших переходов – это таяние. Не знаю, как вы, а я узнала о нем еще в раннем возрасте. Когда я была на улице и ела мороженое, то лучи раскаленного солнца топили его, и оно стекало по моей руке. Отстойное знакомство с одним из основных превращений в химии. Самое смешное, что термин «таяние» не совсем подходит для такой науки. Техническим термином считается «плавление», но его практически не используют. Когда мороженое тает, расстояние между молекулами увеличивается, из-за чего твердое вещество превращается в жидкость. Итак, если молекулы в твердом теле находятся на расстоянии одной мили друг от друга (в данном примере я специально использую большие числа), то в жидкости они будут находиться на расстоянии пяти миль. На самом деле в твердых телах молекулы находятся на расстоянии примерно 10^–10метров друг от друга, но мне кажется, что такое число будет слишком сложно представить.

Важно помнить один факт: после фазового перехода молекулы остаются точно теми же молекулами. Атомы и расстояние между атомами не изменилось, хотя молекулы друг от друга отдалились. Но как это происходит? Все просто: нужен источник энергии, в качестве которого обычно выступает тепло. Если мы изменим температуру окружающей среды, то молекулы начнут двигаться быстрее (если температура увеличится) или будут двигаться медленнее (если температура уменьшится). Как вы скоро узнаете, температура также влияет на расстояние между молекулами.

И если вы вспомните мой пример с мороженым, то все сразу станет понятным и логичным. Чтобы мороженое растаяло, требуется внешний источник тепла. Например, если я решу съесть мороженое в Техасе, то оно начнет таять спустя несколько минут. Тепла, исходящего от молекул в воздухе, достаточно для того, чтобы молекулы мороженого начали активно двигаться; в конце концов расстояние между ними увеличится. Иначе говоря, при таянии мороженого происходит плавление.

Наилучший пример плавления – первый шаг в приготовлении брецелей в шоколаде. Когда я готовлю их дома, то кладу шоколад в чашку и ставлю ее над кастрюлей с кипящей водой. Такая конструкция позволяет теплу от пара передаваться шоколаду через дно чашки. Молекулы шоколада начинают двигаться, из-за чего расстояние между ними увеличивается. Я могу точно определить, когда это произошло, ведь вижу таяние шоколада своими глазами.

Когда я убираю чашку с растопленным шоколадом с кастрюли, то наблюдаю еще один физический процесс. Из-за тепла вода в кастрюле кипит: жидкая вода превращается в пар. По мере того, как она переходит в другое состояние, пространство между молекулами воды увеличивается. Если молекулы в твердом теле и жидкостях находятся на расстоянии одной и пяти миль друг от друга соответственно, то молекулы газа – примерно в пятидесяти милях. И опять же важное уточнение: молекулы никак не изменились, но изменилось расстояние между ними. Мы уже знаем, что у газа нет постоянного объема или формы, поэтому молекулы пара поднимаются в воздух и «исчезают».

Процесс превращения воды в пар называется кипением с последующим парообразованием, хотя многие ошибочно называют его испарением. Весьма распространенное заблуждение, поэтому давайте рассмотрим, чем эти процессы отличаются. Как и при синтезе, при кипении расстояние между молекулами увеличивается; значит, для этого процесса необходимо тепло. Он происходит в тот момент, когда жидкость начинает кипеть – то есть превращаться в газ.

При испарении жидкость превращается в газ без использования дополнительного тепла. Этот процесс происходит при температуре ниже точки кипения жидкости. Например, за ночь испаряется часть воды в вашем стакане или пот с вашего тела. Для этого не нужна горелка или другой источник тепла: молекулы обладают достаточной энергией, чтобы жидкость превратилась в газ самостоятельно. И наоборот, кипящей воде нужно больше энергии, чтобы изменить свое состояние.

Так или иначе, мы можем превратить воду в газ только одним способом: нам нужно увеличить расстояние между молекулами жидкости. Те из вас, кто занимается выпечкой, сейчас узнали, что происходит с водой при топлении шоколада. Но сталкивались ли вы с тем, что на поверхности шоколада появляются небольшие надоедливые пузырьки? Если да, то поздравляю: вы наблюдали еще один физический процесс, называемый конденсацией.

Когда молекулы воды конденсируются, гладкая поверхность шоколада покрывается небольшими «пузырьками». Во время этого процесса газообразные молекулы воды (то есть пар) превращаются в жидкие и нарушают текстуру шоколада. Тоже самое происходит с бокалом напитка в жаркий день: на стенках образуются капли воды.

Конденсация и испарение – это два одинаковых, но ровно противоположных процесса. Похоже на мою поездку на работу: расстояние и затраченное время постоянно одни и те же. Я еду десять минут до работы и потом десять минут до дома. Но при этом направление, в котором я двигаюсь, отличается. То же самое происходит и с этими двумя процессами: при испарении расстояние между молекулами увеличивается, а при конденсации уменьшается. Газ превращается в жидкость, а соседние молекулы начинают притягиваться друг к другу.

Жидкости могут также превращаться в твердые тела, не меняя при этом своего химического состава. Этот процесс называется замерзанием. Когда молекулы находятся близко друг к другу, жидкость может превратиться в твердое тело. Замерзание и плавление (то есть таяние) – это противоположные процессы. При плавлении молекулам необходимо двигаться и увеличивать расстояние между собой; в результате твердое тело превращается в жидкость. Однако для того, чтобы жидкость стала твердым телом, молекулы должны располагаться практически вплотную к друг другу.

Лучший способ заморозить что-либо – это поместить объект в среду с низкой температурой, например, в морозильную камеру. Вы также можете изменить давление (в лаборатории). При низкой температуре движение молекул замедляется, из-за чего расстояние между ними уменьшается. Когда я убираю брецели в шоколаде в холодильник, растопленный шоколад затвердевает и превращается в глазурь. Этот процесс начинает происходить не сразу, к тому же тут играет роль толщина слоя шоколада. Чем больше молекул, тем больше времени требуется для их замедления – для перехода жидкости в твердое состояние. Однако все молекулы обладают точкой замерзания – температурой, при которой жидкость превращается в твердое тело.

Таяние, испарение, конденсация и заморозка – самые распространенные переходы. Есть еще два, не столь распространенных, но их нужно упомянуть: сублимация и десублимация. Это процессы перехода твердого тела в газообразное и наоборот. Молекулы, минуя жидкое состояние, сразу переходят из твердого в газообразное или наоборот. Чтобы произошли эти процессы, расстояние между молекулами должно резко увеличиться или резко уменьшиться. В зависимости от молекул подобные переходы могут происходить естественным путем в обычных условиях или в лаборатории с использованием экстремальных температур и изменением давления.

В естественных условиях сублимация происходит редко, так как для такого перехода молекулам надо очень быстро двигаться. По правде говоря, в повседневной жизни мы практически не сталкиваемся с этим процессом. Большинство людей наблюдают его только в том случае, если работают с сухим льдом. Сухой лед (или углекислый газ в твердом состоянии) обладает удивительными свойствами, благодаря которым может переходить из твердого состояния в газообразное. Это означает, что во время перехода расстояние между молекулами быстро увеличивается. Процесс происходит самостоятельно при нормальных атмосферном давлении и температуре; именно поэтому сухой лед используется для создания тумана или дыма на концертах, представлениях, а также на моих лекциях.

Сублимация также используется в освежителях воздуха и камфорных шариках. Сами по себе эти вещества твердые, но со временем они выделяют в воздух немного молекул, из-за чего появляется определенный запах. Каждая система сублимируется при комнатной температуре, однако, в отличие от сухого льда, этот процесс может занять дни, а то и недели. Вот почему автомобильные ароматизаторы необходимо менять раз в несколько недель – они перестают выделять в воздух молекулы.

Противоположный сублимации процесс – десублимация: газ превращается в твердое тело. Во время этого перехода теряется много энергии, из-за чего молекулы замедляются и останавливаются. Люди, живущие в холодном климате, сталкиваются с десублимацией намного чаще, чем им кажется. Каждое утро, когда вы выглядываете в окно и видите покрытые инеем листья, вы наблюдаете результат десублимации. Ночью молекулы воды в воздухе теряют много энергии, из-за чего оседают на листьях, образуя ледяную корочку. Если вы когда-нибудь решите понаблюдать за тем, как образуется иней, то увидите, что пар сразу превращается в лед, минуя жидкую форму.

Еще один пример десублимации – сажа внутри дымохода. Когда я жила в Мичигане, то любила проводить холодное утро, сидя у камина с кружкой горячего какао. В то время я не понимала, что если буду чуть внимательнее, то смогу увидеть, как частички сажи, переходя из газообразной формы в твердую, объединяются с пылью. Пыль и сажа копились внутри камина, оставляя после себя черный налет, который моя мама просто ненавидела. В этом случае десублимация сажи происходила намного быстрее, чем десублимация инея; по моему предвзятому мнению, оба процесса одинаково завораживают.

Напомню, что существует шесть видов фазовых переходов, которые я собрала в одной таблице.

Большинство молекул имеют собственную температуру и давление для каждого из шести переходов, однако каждая молекула уникальна. У некоторых, например, есть тройная точка. Это сочетание температуры и давления, при котором расстояние между молекулами неопределенно, из-за чего вещество одновременно существует в трех агрегатных формах: твердой, жидкой и газообразной. Например, для воды тройной точкой является температура 0,01°C (32°F) и давление 4,58 торр. Самый простой способ наблюдать такое явление в лаборатории – это набрать воду в закрытый контейнер и поместить в вакуум, чтобы снизить давление.

Я уверена, что вы видели в интернете, как люди на Аляске выливают кипящую воду при температуре –52°C. Как только вода покидает емкость, происходит фазовый переход: часть молекул моментально замерзает, превращаясь в маленькие сосульки, а часть молекул испаряется в большое белое облако. Очень похоже на заледеневший фейерверк: большое облако газа с маленькими сосульками в форме радуги. Вода находится во всех трех состояниях одновременно около одной секунды. Вот так классно она выглядит в своей тройной точке.

Есть еще несколько условий (определенные температура и давление), при которых можно отличить жидкости и газы. Когда вы поднимаетесь выше критической точки, то расстояние между молекулами в жидкостях и газах изменяется так быстро, что невозможно определить агрегатное состояние вещества. Это называется сверхкритическая жидкость; она представляет собой жидкостногазовое вещество и обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами газов (для разных типов молекул – разные свойства).

Самый распространенный пример сверхкритической жидкости – безкофеиновый кофе. Сначала зерна обрабатываются паром, после чего их помещают в специальный контейнер, способный выдерживать высокое давление. В него поступает диоксид углерода в сверхкритическом (или сжиженном) состоянии, растворяющий кофеин. Сверхкритическая жидкость не влияет на зерна кофе, благодаря чему считается идеальным растворителем кофеина. Самое интересное то, что диоксид углерода можно очистить от кофеина. А это значит, что его можно будет использовать еще несколько раз!

Раньше диоксид углерода в сжиженном состоянии часто использовался в качестве растворителя на химчистках, так как он легко удалял грязь с одежды, оставляя ту практически «сухой». (Я использую кавычки, потому что сверхкритическая жидкость – это не вполне та жидкость, к которой мы привыкли. Жидкое/газовое вещество не влажное, но и не сухое.) Однако была одна большая проблема. Вещество распылялось на одежду под большим давлением, но когда давление спадало, то хрупкие или плохо пришитые пуговицы ломались и отрывались. Улучшить этот процесс никак не получилось, поэтому, на сегодняшний день, в большинстве химчисток отказались от такого метода в пользу других вариантов.

Но все эти фазовые изменения происходят на макроскопическом уровне. Мы можем увидеть конденсацию, замерзание или даже сверхкритическую жидкость невооруженным глазом. Однако мы не способны наблюдать все изменения, поскольку некоторые происходят на микроскопическом уровне.

Как ученые «видят» мир

Когда химики, биологи, геологи или другие ученые исследуют мир, они имеют дело с двумя уровнями: макроскопическим (то, что мы можем увидеть) и микроскопическим (то, что мы не можем увидеть).

Если для того, чтобы что-то увидеть, вам необходим микроскоп, то это микроскопический уровень. Если вы можете что-то увидеть невооруженным глазом, то это макроскопический уровень.

Что же происходит с крошечными молекулами? Первое, на что мы, химики, обращаем внимание – как электроны распределяются внутри молекул. Вы, наверно, уже догадались, что это определяется формой молекулы. Химическая формула «рассказывает» ученым то, как электроны из разных молекул будут взаимодействовать друг с другом, а также то, как они будут располагаться в пространстве.

В некоторых системах молекулы выстраиваются в линию, словно они водят хоровод, в то время как в других системах скопления молекул похожи на символ инь-ян. По правде говоря, если вы знаете основные закономерности расположения молекул, вам не составит труда определить, как те или иные группы изменяются от фазы к фазе.

Однако сначала вам придется определить общую полярность молекулы. И это возвращает нас к старой теме. Электроотрицательность.

Давайте рассмотрим кислород – один из самых электроотрицательных атомов. Если он входит в состав молекулы, то будет притягивать все электроны от соседних атомов к своему ядру. В молекуле воды (Н₂О) все электроны притягиваются к атому кислорода, а не к водороду.

Так как электроны распределяются неравномерно, кислород имеет частичный отрицательный заряд. Именно так мы считали, когда изучали, как атомы делят электроны при образовании связи. А теперь давайте посмотрим, что происходит, когда в одной молекуле образуется несколько связей.

Есть два варианта того, как электроны будут распределяться в молекуле: в одном случае образуется полярная молекула, в другом – неполярная. Если вы разделите молекулу ровно пополам, она будет считаться полярной. Это значит, что электроны распределены внутри молекулы неравномерно: у нее есть положительная и отрицательная стороны, прямо как у магнита.

Давайте подробнее рассмотрим то, как электроны распределяются в молекуле воды. Повторюсь, кислород в молекуле воды имеет частично отрицательный заряд. Логично, что у обоих атомов водорода заряд частично положительный. Это касается каждой молекулы воды на Земле. Кислород всегда имеет частично отрицательный заряд, водород – частично положительный. В такой ситуации мы можем разделить молекулы воды пополам и получить одну положительную и одну отрицательную стороны, тем самым создав полюса молекулы.

Полярные молекулы вызывают цепную реакцию сильного притяжения между положительной и отрицательной сторонами молекулы воды. Это называют диполь-дипольным взаимодействием. Оно происходит только между молекулами с постоянным дисбалансом заряда (то есть полярными молекулами).

Прямо сейчас вокруг вас происходят сотни дипольдипольных взаимодействий. Если вы сидите на кухне, то они происходит в лежащих рядом яблоках и грушах, даже в куске свинины, говядины или рыбы! Если рядом стоит стакан воды, содовой или вина, то вы также наблюдаете особые диполь-дипольные взаимодействия. Они настолько сильны, что у них есть собственные названия. Молекулы воды – это идеальный пример молекул с водородной связью. Почему? Потому что это полярные молекулы с сильными полярными связями.

Но не забывайте, что водородная связь – это не ковалентная связь, возникающая, когда атомы водорода и кислорода объединяются, образуя молекулу воды. Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. Эта связь очень сильная: только представьте, шесть дюймов льда могут выдержать многотонный грузовик. Грузовик! С ума сойти, да?

Когда-то существовало шоу «Ледовый путь дальнобойщиков» (Ice Road Truckers), которым я была просто одержима. И знаете, это шоу – прекрасный пример водородной связи. Как человек, выросший в Мичигане, я хорошо знаю, какую опасность представляет собой тонкий лед. И я с замиранием сердца смотрела, как эти отважные дальнобойщики ездят по льду. Но водородные связи настолько сильны, что даже грузовики весом в несколько тонн могут спокойно ездить по замерзшим озерам Канады.

К счастью, у дальнобойщиков есть свои секреты и хитрости. Они могут на глаз оценить состояние льда, чтобы избежать катастрофы; но при этом не могут оценить силу притяжения, существующего между молекулами воды. Понимаете, при разрушении водородных связей молекулы могут начать фазовый переход. Даже при повреждении их небольшая часть лед может превратиться в воду. И это серьезная проблема для тех, кто работает или проводит время на замерзших озерах. Кстати, когда разрушаются все водородные связи сразу, вода может превратиться в пар. Итак, когда мы наблюдаем за таянием льда или тем, как кипит вода, на самом деле мы наблюдаем разрушение водородных связей.

И наоборот, мы можем наблюдать образование водородных связей при замерзании воды. Я использую этот фазовый перевод каждый раз, когда провожу демонстрацию под названием «Грозовое облако». Я добавляю горячую воду в емкость с жидким азотом, из-за чего вода на дне замерзает. В этом процессе тепло от горячей воды передается жидкому азоту, в результате чего жидкий азот (N₂) испаряется, образуя большое облако газообразного азота.

Как и в воде, притяжение между молекулами азота пропадает до того, как он переходит из жидкой фазы в газообразную. Но, в отличие от воды, азот не может образовывать водородные связи, так как эта связь образуется между полярными молекулами. Вместо этого молекулы азота образуют дисперсионное взаимодействие.

Оно возникает в том случае, если между молекулами появляется слабое притяжение. Помните, в прошлой главе мы говорили о трансжирах? Причина, по которой они могут скапливаться (и закупоривать артерии), состоит в том, что они используют дисперсионное взаимодействие, чтобы молекулы плотно сцеплялись друг с другом. Это касается каждой неполярной молекулы.

Но каково это, быть неполярной молекулой? Что это значит?

Неполярные молекулы не имеют положительную или отрицательную сторону. Электроны в них располагаются симметрично: представьте печенье с шоколадной крошкой. Если вы разделите его пополам, то на обеих половинках будет одинаковое количество шоколадной крошки. То же самое и с неполярными частицами – там электроны равномерно распределены по всей молекуле.

Интересный факт: неполярные молекулы примерно на наносекунду могут стать полярными! Но потом они возвращаются в обычное состояние. Это как если я надену шляпу и очки для пары фотографий в фотокабине, а затем сниму и снова стану обычной Кейт, какой была до этого.

Но как молекулы «переодеваются», чтобы добиться асимметричного распределения электронов внутри себя? У атома и молекул бывают моменты, когда электроны внутри них не уравновешены. Например, в молекуле азота (N₂) на два атома приходится четырнадцать электронов. Возможно, что на какую-то долю секунды на левой стороне молекулы будет шесть электронов, а на правой – восемь. В этот момент левая сторона молекулы имеет частично положительный заряд, а правая – частично отрицательный.

В моем опыте «Грозовое облако» одна молекула азота (молекула А) находится рядом с другой (молекула В). Когда на правой стороне молекулы А внезапно появляются восемь электронов, электроны в молекуле В будут отталкиваться от них. Это можно сравнить с посещением дома с привидениями, когда из ниоткуда на вас выпрыгивает скелет. Вы и ваши друзья отскакиваете и бежите в противоположном от скелета направлении. То же самое происходит при дисперсионном взаимодействии. Всего лишь один момент, когда молекула имеет несбалансированный заряд – или всего лишь один скелет, пугающий целую толпу, – и возникает эффект домино для целой группы молекул.

Молекула будет пытаться распределить свои электроны так, чтобы они находились на большом расстоянии друг от друга. Однако эффект домино будет повторяться снова и снова. Так чаще происходит в неполярных молекулах; вот почему они группируются друг с другом, а не улетают в атмосферу. Без дисперсионного взаимодействия каждая молекула азота просто отделилась бы от соседней, разрушив мой эксперимент.

Такие взаимодействия между молекулами весьма распространены, поэтому им дали отдельное название: межмолекулярные. Водородная связь, диполь-дипольное взаимодействие и дисперсионное взаимодействие – все это типы межмолекулярного взаимодействия. Когда оно возникает, газы могут превращаться в жидкости, а жидкости – в твердые тела. Когда разрушается – твердые тела могут превращаться в жидкости, а жидкости – в газы.

В моем эксперименте «Грозовое облако» вода сначала замерзает: это я устанавливаю водородную связь. Затем я разрушаю дисперсионное взаимодействие между молекулами азота, из-за чего азот испаряется. Эти два физических изменения происходят так быстро (и в закрытом пространстве), что я могу создать огромное многослойное облако пара.

Как вы уже заметили, меня захватывают фазовые изменения и межмолекулярные взаимодействия. Я могла бы дни напролет рассуждать о том, как расстояние между молекулами и образующиеся между ними межмолекулярные взаимодействия влияют на то, в каком состоянии будет то или иное вещество. Но мне кажется, пора двигаться дальше – может, давайте что-нибудь взорвем?

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Мы уже рассмотрели атомы, молекулы и фазовые переходы. Узнали, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Может быть в твердом (лед), жидком (вода, текущая из-под крана) и газообразном (пар) состоянии. Но что происходит, когда появляется другая, полностью другая – чужая – молекула и разрушает связи между водородом и кислородом? Атомы перестраиваются, создавая новые молекулы? А если образуются новые молекулы, то можно ли провести обратную реакцию и получить «оригинальные» молекулы? Или тут все так же сложно, как в «Назад в будущее», где одно небольшое изменение влечет за собой большие последствия? Эти вопросы – моя любимая часть химии, потому что ответ кроется в химических реакциях.

Существует две концепции, с которыми вам необходимо ознакомиться. Во-первых, важно понимать разницу между химическим уравнением и химической реакцией. Путаница между этими двумя понятиями для ученого все равно что ножом по стеклу. Или для вашего университетского профессора. К счастью, понять разницу довольно просто.

Химическую реакцию проводят в лаборатории.

Химическое уравнение записывают в тетради.

В лаборатории я могу провести химическую реакцию, просто смешав два вещества в колбе. Обычно я одета в лабораторный халат. Я внимательно наблюдаю за каждым этапом. В это время смешанное вещество может изменить цвет или даже агрегатное состояние (например, перейти из твердого в жидкое), так как все это происходит на молекулярном уровне. Идет перестройка атомов.

И напротив, если бы я просто хотела записать, что происходит во время эксперимента, какие вещества использовались и в каком количестве, то я записала бы химическое уравнение, состоящее из трех отдельных частей: (1) сторона реагентов, (2) стрелка или знак равенства и (3) сторона образовавшегося продукта реакции. Вещества, вступающие в реакцию, всегда записываются с левой стороны от стрелки, а продукты реакции – всегда справа. Обычное химическое уравнение выглядит вот так:

Реакция → Продукт реакции

Или вот так:

A + B + C → D

A, B, C, D олицетворяют собой разные молекулы, например вода или углекислый газ. Но давайте представим, что химическая реакция – это процесс приготовления торта. Тогда реагентами были бы все вещества или ингредиенты, которые для этого необходимы. В моем уравнении все ингредиенты (мука, сахар, яйца) будут располагаться в левой части уравнения. Продуктами реакции же будут все химические вещества, образующиеся по итогу; в данном случае торт. Следовательно, химическое уравнение приготовления торта будет выглядеть так:

Мука + Яйца + Сахар → Торт

Из записанного выше химического уравнения ясно, что для приготовления торта нужна одна единица муки, одна единица яйца и одна единица сахара – или один стакан муки, одно яйцо и один стакан сахара. Если вы хоть иногда готовите торты, то понимаете, что это отвратительный рецепт. Так как соотношение ингредиентов неправильное, в ходе этой химической реакции мы приготовим невкусный торт.

Когда соотношение реагентов неверное, мы говорим, что уравнение несбалансированное. Это означает, что у нас есть сомнительный рецепт, из которого вряд ли что-то получится. В химии подобные уравнения бесполезны, поэтому важно их балансировать. Сделать это можно с помощью коэффициентов, которые добавляются перед молекулой в уравнении. Получается верное соотношение, которое необходимо для получения продукта реакции. Если для приготовления торта нам требуется три стакана муки, четыре яйца и один стакан сахара, то мы балансируем наше уравнение следующим образом:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар → Торт

Обратите внимание, что мы не используем цифру 1. Если возле молекулы или атома не указана никакая цифра, то подразумевается, что это коэффициент 1.

Мы могли бы с легкостью изменить рецепт и приготовить шоколадный торт, добавив еще один реагент, какаопорошок:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар + Какао-порошок → Торт

Это уравнение тоже несбалансированное, поскольку какао на вкус горькое. Значит, мы должны добавить больше сахара. Новый рецепт может выглядеть вот так:

3 Муки + 4 Яйца + 2 Сахара + Какао-порошок → Шоколадный торт

Рецепт шоколадного торта можно слегка изменить, и тогда мы приготовим брауни или шоколадное печенье. Мука, яйца и сахар – это основа для приготовления множества десертов. То же самое и с атомами и молекулами, которые лежат в основе всех химических соединений.

Вернемся к нашему уравнению:

3A + 4B + C → D

В этом уравнении содержится важная информация. Я получаю алгоритм действий – или рецепт, – которому должна следовать, чтобы в итоге получить одну единицу D. Если бы я хотела получить одну единицу D, то использовала бы три единицы A, четыре единицы B и единицу C, смешав их в колбе. В течение нескольких часов я бы тщательно перемешивала их, может, даже воздействовала бы на вещество теплом, и в конце концов получила бы единицу D. Но что представляет собой одна единица D? Один стакан? Один грамм? Один килограмм? На самом деле один моль.

У вас может возникнуть вопрос: что за моль? В химии моль – не милое насекомое, а конкретное число, помогающее определить, сколько молекул задействовано в той или иной реакции. И мы плавно переходим ко второй вещи, которую вам нужно понимать, – что такое моль и почему эта единица измерения так важна.

Впервые данная концепция была предложена еще в 1811 году итальянским ученым Амедео Авогадро. Однако первым человеком, использовавшим слово «моль», стал немецкий ученый Вильгельм Оствальд, сокративший так немецкое слово molekül (молекула).

Не используя слово моль, Авогадро предположил, что если два образца газа имеют одинаковую температуру, давление и объем, то в них будет содержаться одинаковое количество молекул. Название газа или его вид не имеют значения, ЕСЛИ все три условия совпадают.

Давайте предположим, что в моем кабинете есть воздушный шар с газообразным кислородом и воздушный шар с газообразным азотом. Они имеют одинаковую температуру, форму и объем. Объем воздушного шара не меняется, и это означает, что давление внутри него и снаружи будет одинаковым. Так как температура, объем и давление двух воздушных шаров одинаковое, согласно предположению Авогадро, количество молекул внутри них тоже будет одинаковым. Иначе говоря, в моем воздушном шаре с азотом плавает столько же молекул, сколько и в шаре с кислородом. Разница лишь в виде этих молекул.

В 1865 году австрийский химик Йозеф Лошмидт смог определить количество молекул в образце газа. Он предложил уравнение для расчета молекул в определенном объеме вещества и тем самым обнаружил константу, которая подтвердила все идеи, предложенные Авогадро еще в начале 1800-х годах. Именно поэтому, когда в 1909 году французский физик Жан Перрен использовал «магическое» число Лошмидта, он назвал его числом Авогадро, в честь великого ученого.

Мне всегда интересно, чувствовал ли Лошмидт обиду, когда узнал название этого числа? Ну да ладно, так или иначе Перрен назвал число 6,022 · 10²³числом Авогадро. Оно указывает на количество молекул в 32 граммах двухатомного кислорода.

В то время открытие Перрена стало сенсационным. Однако в 2019 году понятие «моль» было изменено. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) решил принять более простые определения некоторых единиц, в том числе и моля. Данное решение было встречено с радостью, так как после принятия нового определения отпала необходимость в сравнении количества атомов с конкретными образцами, например кислородом или углеродом.

Согласно новому определению, моль является пробой, в которой содержится ровно 6,022 · 10²³элемента. Как профессор химии, я очень обрадовалась, узнав о новом определении моль. Гораздо проще объяснить студентам, что моль – это просто число; нет смысла рассказывать всю историю об Авогадро, Лошмидте и Перрене.

В новом определении моль – это просто число, равное 6,022 · 10²³. Вот и все. Просто число. Точно так же, как и декада обозначает 10, столетие – 100, а брутто – 144. Один моль обозначается 6,022 · 10²³.

В предыдущей главе мы говорили о мирах: мир, который мы можем видеть своими глазами (макроскопический), и мир, который мы не видим (микроскопический). Что же, моль является мостиком между этими двумя мирами. Мы используем его для преобразования масс из макроскопического мира в молекулы в микроскопическом мире.

Моли важны, когда такие ученые, как я, хотят определить количество молекул в конкретном образце. Этим мы и занимаемся, когда готовим торт или взрываем что-нибудь. Моль в мире химии – это что-то огромное. Просто чтобы вы имели представление: 10⁶– это миллион, 10⁹– это миллиард, а 10¹²– это триллион. По сути, реальное значение одного моля составляет 602 секстиллиона или 602 200 000 000 000 000 000 000.

602 200 000 000 000 000 000 000!

Моли – это не граммы (чайные ложки, столовые ложки или число Пи)

Важно понимать, что три моля A, четыре моля B и один моль C не равно трем граммам A, четырем граммам B и одному грамму C. Нет, моли так не работают. Помните, мы с вами обсуждали атомную массу из периодической системы? Она указывает не только на среднее количество протонов и нейтронов, но также и на то, сколько граммов каждого элемента содержится в одном моле.

Возьмем, к примеру, кобальт. Если мы посмотрим на периодическую таблицу в конце книги, то увидим, что в одном моле кобальта содержится 58,93 грамма вещества. Итак, если для моего уравнения требуется три моля кобальта, то мне нужно отвесить 176,79 грамма (58,93 × 3 = 176,79). Если бы я добавила только 3 грамма, то химическая реакция… прошла бы не так хорошо, поскольку мне бы не хватало еще 173,79 грамма.

Мы используем моли и добиваемся идеального соотношения атомов для того, чтобы химическая реакция прошла успешно. Иначе это было бы точно так же, как если бы пекарь смешал шесть стаканов муки и один стакан сахара в попытке испечь именинный торт. Ничего не получится.

Дэниел Дулек, специалист по детским инфекционным заболеваниям, выступил на Ted-Ed^[6] с докладом о молях. Он также привел одну из лучших аналогий, какую я когда-либо слышала. Если бы вам подарили моль пенни на день рождения, а потом начали бы уничтожать по миллиону долларов в секунду, то к вашему сотому дню рождения у вас бы сохранилось 99,99 % от подаренных вам денег.

Через сто лет, теряя по миллиону долларов каждую секунду, вы бы обеднели только на 0,01 %. Можете представить? Моль – это чертовски много.

Но давайте вернемся к начальной точке. Мы используем один моль для определения соотношения молекул, необходимого для проведения химических реакций. Количество молей в уравнении обозначается коэффициентом.

Итак, если нам необходимо три моля А, четыре моля В и один моль С для того, чтобы получить один моль D, то на самом деле это означает, что нам нужно 1,807 · 10²⁴молекул А, 2,409 · 10²⁴молекул В и 6,022 · 10²³молекул С для того, чтобы получить 6,022 · 10²³молекул D. (Помните, что 1 моль равен 6,022 · 10²³, так что 3 моля А – это 1,807 · 10²⁴молекул или 6,022 · 10²³· 3.) Однако намного проще будет понять это, если вы посмотрите на следующее химическое уравнение:

3A + 4B + C → D

Теперь, когда вы знаете о молях и характерных для химии реакциях, мы можем перейти к самому интересному: изучению разных типов химических реакций.

Если вы посмотрите на типичные химические реакции, то увидите, что обычно там образуются или разрушаются связи. Данный процесс напрямую связан с поглощением или выделением энергии. Это ответвление химии называется термодинамикой – может, вы слышали о ней раньше, когда изучали механизмы нагревания и охлаждения. Но что вам точно нужно знать, чтобы понять материал главы, так это то, что термодинамика полностью посвящена изучению связи теплоты и работы с химическими реакциями.

Потоки энергии могут быть как положительными, так и отрицательными. Мы рассчитываем поток, необходимый для разрушения всех связей в реакции, и общую энергию, которая выделяется при образовании связей. Самый простой способ запомнить разницу:

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Если при реакции поглощается больше энергии, чем выделяется, то общая энергия реакции положительная. Для лучшего понимания давайте немного «поиграем» с цифрами. (Я буду использовать джоули как наиболее распространенную единицу энергии. В химии мы обычно используем килоджоули (кДж). Приставка «кило» подразумевает, что мы говорим о тысяче джоулей.)

Например, нам требуется 500 кДж, чтобы разрушить все предыдущие связи, а также нам нужно выделить 250 кДж путем образования новых молекул. Уравнение будет выглядеть следующим образом:

общая энергия = 500 кДж – 250 кДж

общая энергия = +250 кДж

В итоге мы получили положительный заряд, равный +250 кДж. В данном примере энергии, затраченной на разрушение старых связей, было больше, чем энергии, выделившейся в процессе образования новых. Возможно, из-за того, что связи в изначальной молекуле были прочнее, чем в молекулах, которые образовались после. Если реагенты (предыдущие связи) были стабильнее продуктов реакции (новые связи), то такие изменения энергия называются эндотермическими.

Каждый раз, когда мы разрушаем связь в реакции, нам нужно добавлять энергию. Это значит, что процесс разрушения связей всегда будет эндотермическим. Давайте посмотрим на другом примере, представленном ниже. Ковалентная связь А – В разрушена, остались только атом А и атом В:

А – В + энергия → А + В

Чтобы показать эндотермический процесс, нужно сложить элементы уравнения с энергией. Эти реакции действуют точно так же, как и игра «Алибаба» (Red Rover^[7]), в которую мы играли в детстве. Помните эту игру? Одна команда выстраивалась в линию, держась за руки, а участник из второй команды должен пробежать между двумя людьми и попытаться разорвать их связь. Двое всегда держатся за руки. К тому же у бегущего должно быть достаточно энергии для того, чтобы он смог разрушить связь между человеком А и человеком B.

Чтобы полностью понять этот процесс, давайте подумаем о том, что происходит, когда вы поднимаетесь по лестнице. Если вы двигаетесь снизу вверх, то вам нужно использовать энергию, чтобы поднять ногу и наступить на следующую ступеньку. Усилия, прилагаемые вами, похожи на энергию, которая необходима для разрушения связи между атомами А и В.

Если мы добавим достаточное количество тепла, то атомы начнут разделяться: это происходит реакция разложения. Важно отметить, что существует тонкая грань между достаточным количеством энергии для проведения реакции и ее избытком, который все уничтожит. Я даже не помню точное количество раз, когда из-за этого уничтожала образцы в лаборатории и печенье в духовке. Ваша еда сгорает точно таким же образом: молекулы чернеют в процессе реакции разложения, из-за чего еда принимает горелый вид. Возможно, от нее будет исходить неприятный запах.

Некоторые молекулы, например гидроксид алюминия, при достаточной температуре очень быстро разлагаются. Связи в молекуле мгновенно разрушаются, в результате чего атомы отдаляются друг от друга. Во время разложения молекула поглощает много тепла, обеспечивая защиту от огня всему, что находится рядом. Именно поэтому гидроксид алюминия используют в качестве подавителя горения в некоторых материалах (поскольку тепло не может через него пройти). Как вы уже догадались, я обожаю это соединение из-за его сильных эндотермических свойств.

Некоторым молекулам для разложения требуется еще больше энергии. Например, когда молекула кислорода взаимодействует с большим количеством энергии, например ультрафиолетовым излучением, то связи в ней разрываются или диссоциируются. Энергия ультрафиолетового излучения настолько сильна, что молекула сразу же распадается на несколько частичек. Если это происходит с газообразным кислородом, которым мы дышим, – то, что называется двухатомным кислородом (О₂) – то двойная связь разрушается, а два атома кислорода (О) освобождаются. Рассмотрим пример:

O=O → O + O

Такое разложение кислорода происходит только в том случае, если молекула поглощает поступающую энергию. Та разрушает двойную связь и заставляет два атома кислорода перейти в более высокое энергетическое состояние. Если данная реакция происходит в стратосфере, то два атома кислорода будут настолько недовольны, что сразу попытаются восстановить двойную связь. Некоторые из них «захватывают» третий атом кислорода и формируют озон (О₃). Они делают все возможное, чтобы восстановить разрушенные связи с соседними атомами.

Но как же работает этот процесс? Что именно ответственно за создание связей?

Чтобы ответить на эти вопросы, вернемся к нашим расчетам. Мы уже знаем, что для разрушения существующих связей нам необходимо +500 кДж энергии. Но теперь давайте представим, что при образовании новых молекул выделяется 750 кДж энергии. Разница в энергии составила –250 кДж, и это означает, что во время химической реакции выделилось больше энергии, чем было поглощено.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

общая энергия = 500 кДж – 750 кДж

общая энергия = –250 кДж

Если новые связи прочнее исходных, то такая реакция называется экзотермической. И у реакций с негативной энергией есть одно классное свойство: они часто происходят самостоятельно.

Если мы посмотрим на экзотермическую реакцию между твердым барием и газообразным хлором, то увидим, как они объединятся и образуют новую связь. Барий в твердом состоянии образует ионную связь с газообразным хлором, из-за чего формируется новая ионная молекула – хлорид бария. Эту химическую реакцию можно записать в виде уравнения:

Ba + Cl₂→ BaCl₂

И хотя вам может показаться, что из уравнения ничего не понять, просто поверьте. Если я говорю, что барий и хлор при образовании ионной связи будут выделять немного энергии, все так и есть. При образовании новой связи выделяется энергия, поскольку у исходных веществ, перед началом реакции, было больше энергии, чем есть у тех, которые появились в результате.

Мы можем записать это в виде химического уравнения:

Ba + Cl₂→ BaCl₂+ энергия

Или в более общем виде:

A + B → А + В + энергия

При образовании связи между двумя атомами энергия внутри самих атомов снижается. Природа всегда пытается оказаться в месте с более низкой энергией. Нам ведь не хочется заниматься физическими упражнениями после долгого и тяжелого дня, верно? Атомы после проведения химической реакции тоже стараются оставаться в состоянии с низкой энергией. Низкая энергия – это хорошо, так как полученная молекула будет стабильнее атомов, из которых она образовалась.

Не забывайте, что стабильность в химии – это гарант того, что молекула практически не будет реагировать с другими молекулами. Что еще важнее, ее электроны будут притягиваться к протонам в ядре каждого из атомов. Большое, сильное притяжение между электронами и протонами значит, что валентные электроны «защищены», так как им трудно реагировать с другими молекулами.

Вот что происходит, когда изменение общей энергии является отрицательным. Атомы с легкостью перестраиваются и переходят на низкий энергетический уровень, а это значит, что продукты реакции будут намного стабильнее реагентов. Именно это происходит при реакциях соединения, противоположных реакции разложения. Если вы подумали, что молекулы могут встать в строй, как Beyoncé и ее танцоры, то вы угадали. Реакция соединения происходит тогда, когда два атома или две молекулы объединяются, образуя новую связь. Точно так же, как и на выступлениях Beyoncé, где она и ее танцоры выступают как один организм.

Классический пример реакции соединения – экзотермическая реакция. Реагент А взаимодействует с реагентом В и образует продукт реакции A – B. Чтобы реакция прошла успешно, между реагентами А и В должна образоваться связь; это означает, что они должны притягиваться друг к другу. Реакция соединения может возникнуть между двумя атомами, двумя молекулами и даже между атомом и молекулой.

Образованная между А и В связь может быть как ионной, так и ковалентной. Обычно такая реакция положительная, поскольку полученная молекула стабильнее, чем используемые реагенты. На самом деле эта связь могла вообще не образоваться, если бы она была чуть менее стабильной. Такое взаимодействие можно сравнить с людьми, состоящими в идеальных отношениях: им лучше находиться вместе, чем порознь. Поскольку каждый из них выявляет лучшие качества в партнере, они будут намного счастливее, если окажутся связаны с кем-то. С атомами в реакциях соединения то же самое: им намного лучше вместе.

Прекрасный пример – реакция между железом и кислородом. Когда железо подвергается воздействию кислорода, оно начинает ржаветь. Здесь железо и кислород вступают в реакцию соединения и образуют оксид железа. Рассмотрим уравнение:

2Fe + ³/₂O₂→ Fe₂O₃+ энергия

Поскольку это экзотермическая реакция мы понимаем, что оксид железа будет стабильнее железа или кислорода. Это одна из причин, почему так легко образуется ржавчина; железо скорее вступит в реакцию с кислородом, чем будет находиться само по себе.

Две основные химические реакции, – соединения и разложения – относительно простые. Мы либо добавляем энергию, чтобы разорвать связь в реакциях разложения, либо не добавляем, и она выделяется при образовании новых связей в реакциях соединения. К сожалению, большинство химических реакций намного сложнее. Дело в том, что обычно формируются и разрушатся многократные связи. Это означает, что в ходе реакции должно выделиться количество энергии, достаточное для того, чтобы разорвать связи в реагентах: только так атомы смогут перестроиться и образовать новые связи.

В качестве примера давайте рассмотрим две молекулы: молекула А – В и молекула С – D. А и С – это катионы (+), а В и D – анионы (—). Химическое уравнение представлено ниже:

A – B + C – D → A – D + B – C

Чтобы реакция началась, мне нужно добавить определенное количество тепла, достаточное для разрушения связи между атомами А и В и связи между атомами С и D. Как только это случится, атомы перестроятся. Сформируются новые связи между А и D и В и С. (Не забывайте, что А и С отталкиваются друг от друга, так как оба имеют положительный заряд. То же самое касается В и D, ведь они оба отрицательного заряда.)

Вы можете задаться вопросом: «А почему атомы решили сформировать новые молекулы с другими атомами, а не вернулись к изначальным партнерам?» Ответ прост: новые связи более прочные. Между А и D притяжение сильнее, чем между А и В.

Вы когда-нибудь слышали историю о том, как Райан Рейнольдс познакомился с Блейк Лайвли? Сейчас расскажу.

Райан и Блейк встретились на двойном свидании вслепую, однако изначально они были в паре с другими людьми: Райан был с другой девушкой, а Блейк – с другим мужчиной. Видимо, ни один из них не был увлечен своим партнером, поэтому они влюбились друг в друга. Запишем это в виде уравнения:

Райан – Женщина + Блейк – Мужчина → Райан – Блейк + Женщина – Мужчина

Это неловкое свидание – отличный пример реакции двойной замены. На половине реагентов разрываются две связи, а на половине продукта реакции формируются две новые. Получившиеся связи намного прочнее первоначальных, так как теперь между атомами существует сильное притяжение. Это подтверждается крепким браком Райана и Блейк.

По правде говоря, я сильно расстроюсь, если они когда-нибудь расстанутся. Знаете, их история – отличный пример реакции двойной замены. Я даже могу предположить, что их отношения очень прочные, а их брак действительно идеальный.

Если Райан и Блейк – это двойная реакция замены, то Кэрри и Биг из «Секса в большом городе» – это реакция горения. Они то сходились, то расходились, и их отношения были «взрывоопасными», окруженными большим количеством тепла и энергии. В качестве примера я собираюсь проанализировать одну из моих любимых реакций, горение водорода. (Я же говорила, что что-нибудь да взорву.) В этой химической реакции газообразный водород и кислород вступают в реакцию, образуя воду:

H₂+ O₂→ H₂O + энергия

С этим уравнением связана одна большая проблема: на половине реагента у нас есть два атома кислорода, в то время как на половине продукта мы видим только один. Это означает, что химическое уравнение несбалансированное; я писала об этом в начале главы. Следовательно, чтобы не потерять атомы в ходе реакции, нам нужно добавить коэффициенты. Сбалансированное химическое уравнение выглядит вот так:

2H₂+ O₂→ 2H₂O + энергия

Теперь у меня есть четыре атома водорода с левой стороны (по два атома на каждую молекулу водорода) и четыре с правой стороны (по два атома на каждую молекулу воды). У меня есть два атома кислорода с левой стороны (два атома в одной молекуле) и два с правой стороны (по одному атому на каждую молекулу воды).

Всякий раз, когда я сжигаю водород, газ воспламеняется, а в воздухе звучит хлопок. Этот хлопок – результат перегруппировки атомов водорода и кислорода при образовании двух молекул воды. Поскольку это происходит в микроскопическом масштабе, я никогда не вижу образовавшиеся капли воды.

«На микроскопическом уровне» означает, что для формирования двух молей воды требуется два моля водорода и один моль кислорода (1,204 · 10²⁴молекул водорода и 6,022 · 10²³молекул кислорода реагируют с образованием 1,204 · 10²⁴молекул воды). Чтобы протекла химическая реакция, все связи (водород – водород и кислород – кислород) должны разрушиться. Только так между водородом и кислородом смогут сформироваться новые связи.

Чтобы не запутаться, давайте рассмотрим химическое уравнение без использования коэффициентов. Эта версия уравнения тоже правильная, но так никто не записывает.

H₂+ H₂+ O₂→ H₂O + H₂O

Мы видим, что есть три разные молекулы, которые разрушатся, а затем образуются две новые. Однако нам все еще трудно увидеть связь внутри молекул. Мы можем переписать химическое уравнение следующим образом:

H – H + H – H + O=O → H – O – H + H – O – H

В переписанном уравнении мы лучше понимаем связи между атомами. Если мы воспользуемся таблицей энергии связей – таблицей, где указана энергия, необходимая для разрушения или образования связи, – которая есть во многих книгах по химии (и учебниках), то сможем предсказать, какой будет реакция: экзотермической или эндотермической. Энергии связей H – H, O=O и H – O составляют 432, 495 и 467 кДж соответственно. Если мы подставим эти данные в уравнения, то определим, каким будет изменение энергии при сгорании водорода: положительным или отрицательным.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O – H + H – O – H]

У воды есть две эквивалентные водородно-кислородные связи, так что мы можем переписать вторую часть уравнения следующим образом:

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O + H – O + H – O + H – O]

Теперь у нас есть две связи водород – водород и четыре связи водород – кислород. Мы можем упростить наше уравнение следующим образом:

Общая энергия = [2(H – H) + O=O] – [4(H – O)]

Теперь мы можем вычислить, что изменение энергии при сгорании водорода будет отрицательным:

Общая энергия = [2(432) + (495)] – [4(467)]

Общая энергия = –509 кДж

Эта экзотермическая реакция – реагенты обладали большей энергией, чем продукты реакции.

Но что на самом деле говорит нам число 509 кДж? Во-первых, оно указывает на то, что реакция произойдет спонтанно (сама по себе, без воздействия извне). Это не должно удивлять, многие знают, что водород весьма взрывоопасен и легко воспламеняется.

Во-вторых, мы будем ожидать, что в ходе реакции выделится тепло. Все экзотермические реакции всегда «горячие». Если мы будем находиться близко к месту проведения реакции, то сможем физически почувствовать выделяющуюся энергию.

Это очень важно, ведь если ученые смогут точно предсказывать, сколько тепла выделится при той или иной реакции, то смогут использовать это для создания множества полезных и интересных технологий, например, грелки для рук. Недавно мой муж получил плюсик в карме: в середине ноября мы посетили национальный парк Секвойя, и он перед поездкой взял с собой грелки для рук. Мы выходили гулять утром, и на улице было очень холодно – даже не представляю, чтобы я делала без своих «химических горячих карманов».

Если вы никогда не пользовались грелками для рук, то представьте небольшие чайные пакетики с черным порошком внутри. Когда на металлический порошок воздействует кислород, происходит экзотермическая реакция, в ходе которой выделяется тепло. Это тепло будет выделяться несколько часов, в течение которых ваши руки будут оставаться красивыми и в тепле. Но удивительно другое: то же самое используется для обогрева небольших комнат или поддержания определенной температуры при транспортировке тропических рыб! Одну химическую реакцию можно использовать для разных целей.

С другой стороны, эндотермические реакции не выделяют тепло. Ваша мама когда-нибудь заставляла вас полоскать больное горло соленой водой? Моя – постоянно. Я растворяла столовую соль в воде – получалась соленая вода, которой я прополаскивала горло. Но меня тогда удивляла одна вещь – соленая вода всегда была холодной. Каждый раз, когда я добавляла в воду соль, температура воды падала. Не верите? Попробуйте сами!

Когда мы добавляем к воде соль, протекает эндотермическая реакция. Полученный раствор будет холоднее воды, и это происходит в ходе всех эндотермических реакций.

Если вы когда-нибудь использовали гипотермический пакет, то, я уверена, благословили всех ученых за его создание. Гипотермические пакеты состоят из двух. В первом пакетике находится соль, например нитрат аммония, а во втором – чистая вода без примесей. Чаще всего в подобных пакетах используется нитрат аммония, поскольку при его растворении в воде происходит особенно эндотермическая – или холодная – реакция.

Всякий раз, когда на футбольном поле требовалась медицинская помощь, мой тренер брал гипотермический пакет и сразу же начинал его мять. Только во взрослом возрасте я узнала, что вы можете «активировать» пакет, просто сжав. В любом случае оба пакета внутри разрываются, и происходит химическая реакция. Как только соль попадает в воду, она начинает растворяться и понижать температуру жидкости, одновременно с этим принося пострадавшему игроку облегчение.

Грелки для рук и гипотермические пакеты – это уникальные предметы, которые практически всегда можно найти в аптечках первой помощи. Удивительно, что с помощью двух основных химических реакций можно создать предметы, которые буквально могут спасти жизнь.

Поздравляю! Только что вы узнали почти все, о чем я рассказываю на шестинедельном вводном курсе по общей химии. Теперь вы можете рассказать мне о структуре атома и о формировании связей между ними. Вы умеете отличать ионные связи от ковалентных, а также объяснять механизм образования связи между молекулами. Способны сравнивать химические и физические изменения веществ. Наконец, вы понимаете, какие энергетические изменения происходят во время реакции и каковы различия между эндотермическими и экзотермическими процессами.

Вы закончили курс Chem 101, и я с нетерпением жду вас во второй части этой книги. У нас заложена хорошая база, и теперь мы можем обсудить более интересные вещи. Например, из чего состоит ваш утренний завтрак или что происходит на самом деле, когда вы моете голову шампунем. Вы сталкиваетесь с химией ежедневно, и мне кажется, вы будете удивлены тем, насколько часто ее используете. Итак, возьмите с собой фартук, потому что мы идем на кухню!

Часть II. Химия здесь, там и везде

5. Лучшая часть пробуждения. Завтрак

Вы уже знакомы с основными принципами химии, теперь я собираюсь провести вас через обычный – и слегка загруженный – день. Я расскажу о науке и приведу мои любимые примеры из реальной жизни. Помните: если вы забыли какой-то термин из первых глав, то обратитесь к глоссарию в конце книги. Итак, давайте с самого начала: завтрака.

Вы когда-нибудь слышали, как кто-то говорит, что весь день будет злой и раздражительный, если утром не выпьет чашку кофе? Может, этот «кто-то» вы сами? Или после чашечки эспрессо становится добрее ваш начальник? Существуют убедительные доказательства того, что кофе влияет на наше настроение. Знаете, с чем это связано? Дело в том, что у людей быстро развивается зависимость от кофеина, из-за чего они чувствуют себя раздраженными, если в их организме недостаточно молекул кофеина. Не волнуйтесь, я тоже страдаю от этого. Каждое. Утро.

Триметилксантин – или кофеин – белый порошок без запаха с горьким вкусом. В природе кофеин можно найти в кофейных зернах или в чайных листьях, поэтому мы очень редко встречаем его в виде порошка. При приеме кофеина внутрь он начинает действовать как психотропный препарат (то же самое воздействие на организм оказывает морфин или никотин), а это означает, что кофеин нарушает работу мозга, а также влияет на поведение человека. Некоторые психоактивные вещества могут просто изменять ваше настроение, однако особенно сильные способны даже оказать воздействие на ваше сознание. Кофеин – это «мягкое» вещество: он почти не влияет на центральную нервную систему (мозг и спинной мозг).

Но как это работает? Что происходит, когда кофеин попадает в человеческий организм? Как одна простая молекула может дать нам столько «энергии»? И почему это влияет на поведение людей?

Давайте начнем с основ. Кофеин имеет молекулярную формулу C₈H₁₀N₄O₂и является производным пурина. Это значит, что молекула кофеина состоит из пятичленного кольца, соединенного с шестичленным кольцом. В каждом кольце содержится по два атома азота. (Под «пятичленным кольцом» я имею в виду то, что пять атомов углерода образуют круг. То же самое относится к шестичленному кольцу.)

Большую роль играет структура молекулы, ведь благодаря ей кофеин может связываться с определенными рецепторами в вашем мозгу. Обычно эти рецепторы соединяются с молекулой аденозина, которая содержится в организме человека. Но иногда рецепторы путаются, из-за чего они могут соединиться с молекулой кофеина. И это проблема, ведь аденозин используется для производства молекулы РНК, необходимой для жизни человека. К счастью, образованные между кофеином и рецепторами связи недолговечны, так что это практически не отражается на работе аденозина.

Когда аденозин соединяется с рецепторами в нашем мозгу, мы чувствуем сонливость и усталость. Следовательно, кофеин предотвращает возникновение сонливости, поскольку аденозин в этот момент не может соединиться с рецепторами. То есть кофеин просто блокирует вызывающие сонливость молекулы, а не «дает вам энергию».

Кофеин прямо как вышибала в ночном клубе, только он работает в вашем мозге.

Со временем у человека может развиться кофеинизм – состояние, возникающее после регулярного употребления 1–1,5 грамма кофеина в день на протяжении длительного времени. Подобных людей очень легко определить: они постоянно раздражены, у них повышенная тревожность и их часто беспокоят головные боли. Человек может получить передозировку, если он употребит более 10 грамм (или 10 000 мг) в день. Но, по правде говоря, вам придется постараться, чтобы ваш организм получил такую дозу кофеина. Вам придется выпить около пятидесяти чашек кофе или чуть больше двухсот банок диетической колы.

В чае и кофе содержится больше кофеина, чем в газированных напитках. В одной чашке кофе его примерно 100 мг, однако в определенных условиях (в зависимости от зерен и техники приготовления) содержание кофеина может достигать 174 мг. Весь процесс обработки и приготовления кофе очень увлекателен. Например, большую дозу кофеина можно получить в том случае, если вы пьете кофе из слабо обжаренных зерен, приготовленный в эспрессо-машине. Если вы используете капельный метод заваривания, то кофе с большим содержанием кофеина можно получить из сильно обжаренных зерен. В принципе, количество кофеина в одной кружке практически не зависит от степени обжарки зерен, ведь количество молекул вещества будет примерно одинаковым в любом кофе (кроме эспрессо).

Давайте разберемся, почему так происходит. Все зависит от процесса обжарки кофейных зерен. При их нагревании происходит эндотермический процесс (зерна поглощают энергию). Однако, когда температура достигает отметки 175°C (347°F), процесс становится экзотермическим. Это значит, что зерна поглотили так много тепла, что начали отдавать его обратно обжарочной машине. Когда это происходит, необходимо перенастроить оборудование, чтобы не пережарить зерна (у такого кофе вкус подгоревших зерен). Некоторые профессионалы по несколько раз обжаривают кофейные зерна при разных температурах (из-за чего эндотермический и экзотермический процессы многократно сменяют друг друга), добиваясь разных вкусов напитка.

Со временем обжаренные зерна меняют цвет с зеленого на желтый, а затем – на различные оттенки коричневого. От темноты зерен зависит обжарка; сильно обжаренные будут намного темнее слабо обжаренных зерен (сюрприз!). Цвет зерен зависит от температуры обжарки. Чтобы добиться слабой обжарки, зерна обрабатывают при температуре до 200°C (392°F), а чтобы добиться сильной обжарки – при температуре 225–245°C (437–473°F).

Но перед тем, как зерна начинают обжариваться, они должны слегка растрескаться. При температуре 196°C (385°F) раздается «первый треск». Во время этого процесса зерна поглощают тепло, а также увеличиваются в размере. Однако, так как при высоких температурах вода из зерен выпаривается, их масса уменьшается примерно на 15 %.

После стадии потрескивания зерна становятся сухими и перестают поглощать тепло. Теперь тепло используется для карамелизации сахаров, находящихся на поверхности зерен. В этом случае тепло используется для разрушения связей в сахарозе (сахаре), из-за чего образуются маленькие (и ароматные) молекулы. Примеры светлой обжарки – коричная и новоанглийская. Такие сорта обжариваются до «первого треска», после чего их снимают с огня.

Существует и «второй треск», который раздается уже при более высоких температурах. При 224°C (435°F) нарушается структурная целостность зерен, и они начинают ломаться. Этот процесс сопровождается характерным звуком. По темному цвету мы узнаем зерна, которые были обжарены после «второго треска», например, французская или итальянская обжарки. Как правило, из-за высоких температур в темных сортах процесс карамелизации сахара происходит дольше, чем при в светлых. И хотя разница во вкусе между двумя видами обработки зерен велика, на самом деле обжарка никак не влияет на реакцию нашего организма на кофе.

Чтобы сделать хороший кофе, вам нужно купить идеально обжаренные кофейные зерна. С помощью дешевой кофемолки вы можете перемолоть зерна, выбрав нужный вам помол – он также влияет на вкус. У мелкого помола большая площадь поверхности, а это означает, что кофеин можно экстрагировать из маленьких зерен кофе. Но в таком случае можно переборщить и получить горький кофе.

Вы также можете выбрать крупный помол; в этом случае зерна более цельные, чем при мелком помоле. Очень часто кофе получается кислым, иногда слегка соленым. Однако если у вас получится рассчитать правильную граммовку и выбрать подходящий метод заваривания, то вы сможете приготовить лучший кофе в мире.

Самый простой способ приготовить бодрящий напиток – это добавление горячей воды в кофе крупного помола. Вы просто кладете перетертые зерна в емкость, а затем заливаете их водой. Спустя несколько минут, когда кофе отдаст вещества воде, напиток переливается в кружку. Этот процесс называется отвариванием (завариванием), в ходе него горячая вода растворяет молекулы внутри кофейных зерен. Большая часть современных методов приготовления кофе использует ту или иною технику заваривания, благодаря чему мы можем выпить чашку теплого напитка, а не грызть гущу из жареных зерен. Однако, так как в данном способе приготовления не предусмотрена фильтрация, при заваривании может всплыть осадок. В народе такой кофе ласково называют ковбойским, так что это не слишком популярный способ приготовления бодрящего напитка.

Кстати, вы заметили, что я избегаю слова кипячение? Если вы хотите приготовить большую кружку кофе, то горячую воду никогда нельзя доводить до кипения. Идеальная температура воды для кофе составляет примерно 96°C (205°F) – чуть ниже точки кипения (100°C, 212°F). При температуре 96°C молекулы кофе отдают аромат и вкус воде, растворяясь. К сожалению, если вода будет горячее всего на 4°C, растворятся молекулы, отвечающие за горький вкус напитка. Вот почему баристы и любители кофе так одержимы температурой воды. Мы дома, например, используем электрический чайник, позволяющий выбрать нужную температуру для нагрева.

В зависимости от желаемой вами крепости кофе вы можете заварить его в френч-прессе или каким-то другим способом. Способ приготовления похож на ковбойский кофе: вы просто добавляете к кофейной гуще горячую воду. Если вы завариваете кофе в френч-прессе, советую выбирать крупный помол. Через несколько минут поршень продавливается, опуская всю гущу на дно френч-пресса, благодаря чему оставшийся напиток будет прозрачным и очень вкусным. Так как здесь используется кофе крупного помола, при заваривании растворится большое количество молекул, и мы получим более интенсивный вкус (в сравнении с ковбойским кофе).

Другой способ заваривания кофе – это капельный метод: горячая вода капает на кофейную гущу, кофе передает воде аромат и вкус, а затем напиток выливается в кружку. Вы можете заваривать кофе вручную или с помощью оборудования, например капельной кофеварки. Иногда при этом способе заваривания используется холодная вода – в таком случае молекулы, отвечающие за аромат кофе, не смогут раствориться. Получается голландский холодный кофе, популярный в Японии; приготовление этой разновидности напитка занимает примерно два часа.

Самый популярный способ заваривания кофе – это давление. Изначально он использовался в Италии, однако вскоре стал основным практически в каждой кофейне во всем мире. При приготовлении кофе таким способом, как можно догадаться, используется давление, под которым вода проталкивается свозь молотые зерна. В этом случае обычно используется кофе мелкого помола, поскольку он имеет большую площадь (в сравнении с тем помолом, который используют для заваривания во френч-прессе или в приготовлении ковбойского кофе); при данном способе приготовления вода может растворять больше молекул. Именно поэтому в полученном напитке содержится большая концентрация кофеина. По правде говоря, в полученном эспрессо содержится так много молекул кофеина (120–170 мг), что обычно его подают в маленьких чашках, чтобы ничего не подозревающий посетитель не получил слишком большую дозу.

Мой муж, как и 44 % других американцев, не может начать свое утро без чашечки кофе. Обычно он чередует разные способы заваривания: пуровер (капельный метод) и аэропресс (давление). Я не слишком люблю вкус кофе, но мне было интересно, что американцы предпочитают пить по утрам. Оказалось, что вторым по популярности напитком является вода (16 %), а третьим – сок (14 %).

Клюквенный и томатный соки самые полезные, однако большинство американцев предпочитают апельсиновый. В большинстве свежевыжатых фруктовых соков много антиоксидантов и витаминов, к тому же у них низкое содержание сахара. Но в процессе производства состав соков может сильно измениться.

Давайте в качестве примера рассмотрим апельсиновый. Если вы делаете свежевыжатый апельсиновый сок, то полученный напиток будет содержать лимонную кислоту, витамин С и натуральные сахара. Все эти молекулы растворяются в апельсиновом соке (который по большей части состоит из воды), так что они просто-напросто «вытекают» из апельсина, когда вы его выжимаете. Однако если вы пьете покупной сок, то будьте готовы к тому, что производитель изменил состав. Например, он мог добавить консерванты (чтобы предотвратить рост бактерий), витамины и минералы (например, витамин D и кальций). В апельсиновом соке содержится много витамина С, однако также есть витамин D, способствующий здоровому росту костей.

К тому же при приготовлении на производстве сок проходит один важный этап – пастеризацию. Он намного важнее, чем этап добавления витаминов и минералов. При пастеризации используются высокие температуры, при которых расщепляются опасные ферменты, содержащиеся в апельсиновом соке. Подобные молекулы (например, пектинэстераза) не выдерживают высоких температур; обычно сок пастеризуют около сорока секунд при температуре 92°C (198°F). Затем его упаковывают в емкость и отправляют в продуктовые магазины.

Процесс пастеризации широко распространен в производстве многих соков. Однако, в зависимости от используемых овощей или фруктов, температура и время могут сильно отличаться. Мой любимый сок (яблочный) нужно греть шесть секунд при температуре 71°C (160°F) или 0,3 секунды при температуре 82°C (180°F). Так как обычно яблоки имеют кислый вкус, быстрая пастеризация – это все, что необходимо для предотвращения роста бактерий кишечной палочки или паразитов криптоспоридии. Потом яблочный сок быстро разливается по емкостям и отправляется в продуктовые магазины.

А что, если ваш день начинается не с кофе, воды или сока? Есть ли какие-то другие популярные напитки? Согласно проведенному недавно исследованию, 11 % американцев на завтрак пьют газировку (я отношусь к этому числу людей), а оставшиеся 15 % пьют молоко и чай.

Думаю, вы уже знаете, что в основном молоко состоит из воды с небольшим количеством жира, белков и минералов. Так как жиры в молоке твердые, а вода – жидкая, то обычно такую уникальную комбинацию можно найти или в виде эмульсии, или в виде коллоида. Эмульсия – это жидкость, разбавленная другой жидкостью; коллоид – это твердые частицы, диспергированные в жидкости. В любом случае жиры и белки образуют взвесь в воде, благодаря чему мы получаем плотную жидкость.

Гомогенизированное молоко – это идеальный пример эмульсии, поскольку измельченные жиры с легкостью образуют взвесь в воде. Небольшие капли масла находятся в жидком состоянии и диспергированы в молоке.

Цельное молоко – это отличный пример коллоида из-за высокого процентного содержания твердого жира, который также образует взвесь в воде. Жировые капли здесь намного крупнее, так как это молоко нельзя эмульгировать. Несмотря на то, что под микроскопом эти жировые капли выглядят большими, их все еще очень трудно увидеть невооруженным глазом.

Если вы с трудом можете представить что-то из написанного выше, то сейчас же пойдите на кухню и достаньт�

Скачать книгу

Kate Biberdorf

It’s Elemental: The Hidden Chemistry in Everything

* * *

Моей учительнице химии, миссис Келли Пэлсрок

Введение

Ботаникам вроде нас позволено быть неиронично увлеченными каким-либо занятием.
Мы даже можем просто подпрыгивать в кресле вверх-вниз, и это сойдет нам с рук.
…Если кто-то называет вас ботаником, он скорее всего имеет в виду, что вам нравится заниматься чем-то всерьез.
Джон Грин

Я хочу начать эту книгу с признания.

Я ботаник, и я одержима химией.

В первых четырех главах я расскажу вам о молекулах, атомах и химических реакциях – о том, что необходимо знать для общего понимания науки. Вы можете считать это чем-то вроде Chemistry 101[1] или пересказа школьной программы за десятый класс. (Кстати говоря, я гарантирую, что к концу этого раздела вы наконец «одолеете» атомы.)

И я уверена, что любовь к химии поможет нам сделать этот мир чуточку лучше.

Поехали!

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

Изотопы

Говорите как химик

Что такое анион?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

С помощью электронов.

1 Chemistry 101 – полезное приложение для изучения химии. (Прим. лит. ред.)

Скачать книгу

Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул бесплатное чтение

Кейт Бибердорф Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

* * *

Введение

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

Изотопы

Говорите как химик

Что такое анион?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

Секретная формула

3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы

Как ученые «видят» мир

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Моли – это не граммы (чайные ложки, столовые ложки или число Пи)

Часть II. Химия здесь, там и везде

5. Лучшая часть пробуждения. Завтрак

Введение

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

2. Все о форме. Атомы в пространстве

Кейт Бибердорф
Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул