Buch lesen: "Повседневная химия"

Введение

Эта книга — попытка объяснить, как устроен мир на уровне атомов и молекул, так, чтобы это было понятно человеку, который в последний раз открывал учебник химии лет двадцать назад или не открывал вовсе.

Химия — одна из самых практичных наук из всех, что вообще существуют: она объясняет, почему подгорает молоко, почему ржавеет забытый на балконе велосипед и почему на утро после бокала вина болит голова.

Начнём с фундамента — с атомов и того, как учёные додумались, что мир состоит из невидимых глазу частиц. Почему вода замерзает именно так, откуда берётся энергия в реакциях, что вообще значит «кислота» и «щёлочь»?

А дальше мы отправимся туда, где химия ощутима каждый день, — на кухню, в ванную комнату и даже в собственное тело, — и закончим взглядом на то, куда химия движется дальше: к новым материалам, новым лекарствам и новым способам решать глобальные проблемы вроде изменения климата.

Все идеи в этой книге описывают мир, который устроен совсем не так, как выглядит и ощущается на уровне глаз и рук. Это другой масштаб реальности, настолько мелкий, что человеческие органы чувств никогда не были рассчитаны на то, чтобы воспринимать происходящее там напрямую. Поэтому если какая-то идея на первых страницах покажется странной, нелогичной или далёкой от привычного опыта — это нормальная реакция.

Часть I. Химия вокруг нас — с чего всё начинается

Глава 1. Почему всё состоит из атомов, и как мы это узнали

Возьмите в руки любой предмет. На первый взгляд, это цельная, неделимая вещь. Но если бы у вас был микроскоп, способный увеличивать в миллиард раз, вы бы увидели, что это не так. Всё вокруг — крошечные шарики, соединённые друг с другом, как конструктор. Это касается и живой руки: она тоже сделана из атомов, как и чашка, просто собранных в куда более сложную и подвижную конструкцию.

Идея о том, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц, впервые пришла в голову древнегреческому философу Демокриту ещё в V веке до нашей эры. Слово «атом» с греческого и переводится как «неделимый». Правда, у Демокрита это была скорее философская догадка, чем научный факт — экспериментов он не проводил, просто рассуждал.

По-настоящему в науку атом вернулся только в начале XIX века, благодаря английскому химику Джону Дальтону. Он заметил, что вещества соединяются друг с другом в строго определённых пропорциях. Например, вода всегда состоит из водорода и кислорода в одном и том же соотношении масс. Он предположил, что вещества состоят из атомов, и каждый атом имеет свой строго определённый вес.

Дальше выяснилось, что атом сам не такой уж и неделимый. Внутри него — ядро из протонов и нейтронов, а вокруг ядра, на приличном расстоянии, кружат электроны. Кстати, расстояния там огромные по атомным меркам: если бы ядро атома было размером с горошину и лежало в центре футбольного стадиона, ближайший электрон летал бы где-то на трибунах.

Рис. 1. Схема атома натрия: 11 протонов и 12 нейтронов в ядре, 2, 8 и 1 электрон на трёх оболочках. Один электрон-«одиночка» на внешней оболочке — та самая причина, по которой натрий так легко вступает в реакции

Ядро атома открыли почти случайно. В 1909 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд поручил своим ученикам обстрелять тончайший лист золотой фольги потоком альфа-частиц: в то время считалось, что атом устроен как равномерно заполненная положительным зарядом булочка с изюмом (шуточное название модели атома английского физика Джозефа Джона Томсона), и частицы должны были пролетать сквозь неё почти без отклонений.

Представьте выстрел из пушки по мыльным пузырям. Большинство частиц так и делало. Но некоторые — примерно одна из восьми тысяч — отскакивали назад, будто наткнувшись на что-то очень плотное и тяжёлое. Единственным объяснением было то, что почти вся масса атома сосредоточена в крошечном плотном ядре в центре, а остальное — в основном пустота. Так на смену «булочке с изюмом» пришла привычная сегодня модель атома с ядром и облаком электронов вокруг него.

Рис. 2. Опыт Резерфорда (1909): большинство альфа-частиц пролетает сквозь золотую фольгу насквозь, но некоторые отскакивают — значит, внутри атома есть крошечное плотное ядро

Для повседневной химии протон, нейтрон и электрон — это уже полное дно, дальше делить незачем: именно на этом уровне происходят все реакции, о которых пойдёт речь в этой книге.

Но справедливости ради стоит сказать, что и протон с нейтроном — не последняя матрёшка: физики выяснили, что каждый из них состоит из ещё более мелких частиц, кварков, которые, в отличие от электрона, вообще никогда не встречаются поодиночке — их удерживает вместе настолько мощная сила, что вытащить один кварк из протона попросту невозможно, не породив при этом новую пару частиц. Химии до этого нет дела: она работает на уровне целых атомов и их электронных оболочек, а внутренним устройством протонов занимается уже физика элементарных частиц.

Именно число протонов в ядре определяет, какой это элемент. У водорода один протон, у углерода — шесть, у золота — семьдесят девять. Поменяйте число протонов — и вещество превратится в совершенно другой элемент.

Алхимики веками пытались превратить свинец в золото и не смогли именно поэтому: у них не было инструмента, способного залезть внутрь ядра атома и что-то там поменять. Такой инструмент — ядерный реактор — появился только в XX веке, и да, свинец действительно можно превратить в золото. Просто это дороже, чем просто купить золото.

Нейтрон — такая же частица в ядре атома, как и протон, только без электрического заряда. Число нейтронов в ядре может немного различаться у атомов одного и того же элемента. Такие разновидности называют изотопами. У обычного водорода в ядре вообще нет нейтронов, а у его более редкой и тяжёлой разновидности, дейтерия, есть один нейтрон. Химически они ведут себя почти одинаково, но дейтериевая, «тяжёлая» вода чуть плотнее обычной.

Большинство изотопов во Вселенной родились внутри звезд. Они лежат в основе датировки древних находок по углероду-14. Число означает суммарное количество протонов и нейтронов в ядре — у привычного, самого распространённого углерода их 12, а у этой более редкой и нестабильной разновидности — 14.

Часть нейтронов в ядре атома со временем самопроизвольно распадается с известной, строго постоянной скоростью, и по тому, сколько такого «радиоактивного» углерода осталось в старой деревяшке или кости, можно довольно точно посчитать её возраст. Радиоуглеродный метод работает только для органики, которая когда-то дышала или питалась. Пока органика жива доля углерода-14 в её тканях всегда строго равна его доле в воздухе. Мёртвая ткань не умеет усваивать углекислый газ из воздуха.

Атомов не так уж и много видов — чуть больше сотни, и это все «буквы», из которых составлен весь материальный мир.

Глава 2. Периодическая таблица

В 1869 году русский химик Дмитрий Менделеев разложил все известные на тот момент элементы по возрастанию атомного веса и заметил закономерность: свойства элементов периодически повторяются. То есть если построить элементы в ряд и правильно свернуть эту ленту, то похожие по поведению элементы окажутся друг под другом. Отсюда и название — «периодическая».

Что значит «похожие по поведению»? Возьмём первый столбец таблицы — литий, натрий, калий и другие. Все они мягкие металлы, которые бурно реагируют с водой (натрий, брошенный в воду, шипит и может вспыхнуть). Они называются щелочными.

Секрет в электронах. Свойства элемента определяются в первую очередь тем, сколько электронов находится на его внешней, самой удалённой от ядра оболочке. У элементов одной группы (столбца) число электронов на внешней оболочке одинаковое, поэтому и вести себя они будут похоже.

Рис. 3. Периодическая таблица: форма таблицы отражает, как заполняются электронные оболочки. Цветом выделены основные категории элементов — от щелочных металлов до благородных газов

Группа 2 — щёлочноземельные металлы (бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий) — на шаг спокойнее своих соседей слева: у них не один, а два валентных электрона (так называют электроны на самой внешней, «рабочей» оболочке атома — подробнее о них в главе 3), и оба одинаково легко отдаются при реакциях.

Магний и кальций знакомы не по учебнику, а по собственному телу: кальций — основа костей и зубов, магний участвует в работе мышц и нервной системы. А стронций и барий чаще встречаются не в организме, а в небе: соли стронция дают классический красный цвет фейерверкам, соли бария — зелёный.

Рис. 4. Цвет фейерверков определяется металлом в составе заряда: при нагреве электроны атома поглощают энергию и, возвращаясь на место, излучают цвет строго определенной длины волны – своей для каждого элемента

Группы с 3 по 12 занимают переходные металлы — самая широкая и самая узнаваемая часть таблицы: железо, медь, цинк, серебро, золото, платина и десятки других. У них электроны заполняют не только внешнюю оболочку, но и более глубокий внутренний подуровень, поэтому свойства элементов вдоль ряда меняются постепенно, без резких скачков.

Общие черты у всей этой группы: высокая твёрдость и температура плавления, хорошая проводимость тепла и электричества, способность вступать в реакции в нескольких разных «степенях окисления» сразу — например, железо существует и как двухвалентное, и как трёхвалентное, в зависимости от условий реакции. Именно переходные металлы чаще всего дают эффектные окрашенные соединения: медный купорос — насыщенно-синий, соединения хрома — от зелёного до оранжевого, соединения марганца — от бледно-розового до тёмно-фиолетового.

Группа 13, борная (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) — три валентных электрона. Бор здесь выглядит белой вороной: несмотря на то, что стоит в одном столбце с металлами, сам он неметалл. Зато алюминий — самый распространённый металл в земной коре и один из самых удобных в быту: он не «ржавеет», как железо.

Группа 14, углеродная (углерод, кремний, германий, олово, свинец) — четыре валентных электрона, идеальный баланс между «отдать» и «принять». Вот почему элементы этой группы легко образуют прочные связи не только с другими атомами, но и друг с другом, выстраиваясь в длинные цепочки, — на этом свойстве держится вся органическая химия и, в конечном счёте, жизнь на Земле: в основе любой молекулы живого организма лежит цепочка атомов углерода.

У кремния, соседа углерода по группе, судьба чуть другая: он лежит в основе не биологии, а электроники — именно из него делают те самые переключающиеся транзисторы.

Группа 15 — азотная группа (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) — пять валентных электронов. Азот в виде двухатомной молекулы, которой заполнена большая часть земной атмосферы, на удивление инертен: атомы связаны настолько прочной тройной связью, что для её разрыва нужны либо очень высокая температура, либо специальные бактерии в почве.

Фосфор ведёт себя ровно наоборот — его белая форма настолько реакционноспособна, что самовоспламеняется на воздухе, и именно фосфор скрывается на тёрке спичечного коробка.

Группа 16 — халькогены (кислород, сера, селен, теллур, полоний) — шесть валентных электронов, до заполнения оболочки не хватает всего двух, поэтому элементы этой группы охотно принимают чужие электроны в реакциях. Кислород — второй по реакционной способности неметалл в таблице, именно он делает возможным и горение, и дыхание.

Сера знакома по характерному резкому запаху своих соединений: сероводород, который выделяется, например, при разложении, пахнет тухлыми яйцами именно потому, что в его молекуле, по структуре похожей на воду, атом кислорода заменён на атом серы.

Группа 17 — галогены (фтор, хлор, бром, йод, астат) — семь валентных электронов, до полной оболочки не хватает только одного, из-за чего это самые реакционноспособные неметаллы в таблице. Фтор — вообще самый агрессивный элемент во всей периодической таблице, вступает в реакции почти со всем, включая стекло.

Показательно, что реакционная способность в этой группе меняется в направлении, противоположном металлам: у щелочных металлов она растёт сверху вниз по столбцу, а у галогенов, наоборот, убывает сверху вниз — то есть фтор активнее хлора, а хлор активнее брома. При этом соли галогенов — самая обычная часть повседневной жизни: обычная поваренная соль — это хлорид натрия, соединение крайне активного натрия из первой группы и крайне активного хлора из семнадцатой, которые, встретившись, образуют одно из самых стабильных и безопасных веществ на кухне.

Группа 18 — благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон). Полностью заполненная внешняя оболочка — отсюда и название: эти элементы почти не вступают в реакции («благородны» в смысле «держатся особняком»). Именно их химическая незаинтересованность используют в лампах (неоновые вывески, аргон в обычных лампах накаливания) и для создания защитной инертной атмосферы, где важно исключить реакции с кислородом.

Менделеев прославился ещё и тем, что оставил в таблице пустые клетки — для элементов, которые ещё не были открыты, но, судя по закономерности, должны существовать. Он даже предсказал их свойства заранее. Когда через пятнадцать лет были открыты галлий и германий, их характеристики почти в точности совпали с предсказанием.

Сегодня в таблице 118 элементов. Но обычному человеку в быту важны от силы дюжина. Кислород, углерод, водород, азот, натрий, хлор, железо, кальций, кремний — из них, по сути, собран весь привычный мир, включая нас самих.

Металлы (их в таблице большинство) хорошо проводят электричество и тепло, потому что их внешние электроны слабо привязаны к своим атомам и свободно «гуляют» по всему куску металла сразу, — собственно, это и есть электрический ток, когда он идёт по проводу. Неметаллы, наоборот, крепко держат свои электроны при себе, поэтому большинство из них — плохие проводники.

Полуметаллы проводят ток лишь при определённых условиях, и именно это полусвойство сделало кремний основой всей современной электроники: транзисторы в процессоре телефона работают именно потому, что кремний можно заставить то проводить ток, то нет, управляя этим переключением напряжением.

Отдельного упоминания заслуживает группа из семнадцати элементов, которую называют редкоземельными металлами. Вопреки названию, они не такие уж редкие в земной коре — просто сильно рассеяны и трудно извлекаются в чистом виде.

Именно они делают возможными мощные постоянные магниты в наушниках и электромоторах, яркие люминофоры в экранах и лазерах. Значительная часть мировой добычи редкоземельных металлов сегодня сосредоточена в Китае, что делает эту скромную часть периодической таблицы предметом вполне серьёзной геополитики.

Самые тяжёлые строки таблицы — отдельная и довольно занятная история. Элементы за номером 104 не встречаются в природе вообще: их получают буквально по одному атому за раз, сталкивая ядра более лёгких элементов на ускорителях частиц. Тем не менее у них есть полноценные названия, и часть из них — прямая дань уважения науке: элемент менделевий назван в честь автора самой таблицы, а курчатовий (в некоторых системах номенклатуры) и дубний — в честь советского физика Игоря Курчатова и подмосковного города Дубна, где находится крупный центр по синтезу таких сверхтяжёлых элементов.

Право дать имя новому элементу по традиции достаётся именно той лаборатории, которая первой надёжно подтвердила его существование, — отсюда и география названий, часто рассказывающая историю о том, где именно велась гонка за очередную клетку таблицы.