Химия. 50 идей, о которых нужно знать [Хэйли Бёрч] (pdf) читать постранично

-  Химия. 50 идей, о которых нужно знать  (пер. Шаши Александровна Мартынова) 4.31 Мб, 210с. скачать: (pdf) - (pdf+fbd)  читать: (полностью) - (постранично) - Хэйли Бёрч

Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!


 [Настройки текста]  [Cбросить фильтры]

Хэйли Бёрч

ХИМИЯ

50 ИДЕЙ,
о которых нужно знать

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
Вступление

3

27 Вычислительная химия

50 Топливо будущего

108
112
116
120
124
128
132
136
140
144
148
152
156
160
164
168
172
176
180
184
188
192
196
200

Периодическая таблица
Предметный указатель

204
206

28 Углерод
01 Атомы
02 Простые вещества
03 Изотопы
04 Сложные вещества
05 Как это все крепится
06 От фазы к фазе
07 Энергия
08 Химические реакции
09 Равновесие
10 Термодинамика
11 Кислоты
12 Катализаторы
13 Окисление-восстановление
14 Брожение
15 Крекинг
16 Химический синтез
17 Процесс Габера
18 Хиральность
19 Зеленая химия
20 Разделение
21 Спектры
22 Кристаллография
23 Электролиз
24 Микротехнология
25 Самосборка
26 Лаборатория в чипе

4
8
12
16
20
24
28
32
36
40
44
48
52
56
60
64
68
72
76
80
84
88
92
96
100
104

29 Вода
30 Происхождение жизни
31 Астрохимия
32 Белки
33 Действие ферментов
34 Сахара
35 ДНК
36 Биосинтез
37 Фотосинтез
38 Химические посредники
39 Бензин
40 Пластмассы
41 ХФУ
42 Композиты
43 Солнечные батареи
44 Лекарства
45 Нанотехнологии
46 Графен
47 Трехмерная печать
48 Искусственные мышцы
49 Синтетическая биология

3

ВСТУПЛЕНИЕ

Х

имию часто считают наукой-недотепой. Совсем недавно разговаривала
я с одним химиком, и та пожаловалась, как же ей надоело, что о ее предмете думают примерно так: «Какие-то люди у себя в лабораториях возятся со
всякими вонючими штуками». Химию почему-то полагают не такой важной, как
биология, и менее интересной, чем физика.
Моя задача как автора книги о химии — помочь вам отбросить это представление
и благоволить «недотепе». Пусть мало кто об этом знает, но вообще-то химия —
лучшая из наук.
Химия — суть едва ли не всего, что нас окружает. Из ее строительного материала — атомов, молекул, веществ и смесей — состоит вся материя на этой планете,
до последней унции. Химические реакции — это жизнь и творение всего, от чего
жизнь зависит. Химические продукты — летопись прогресса нашего современного
существования, начиная с пива и заканчивая утягивающими трусами из лайкры.
Полагаю, столь невыгодный образ химии сложился вот почему: вместо того чтобы
увлечь содержательным и интересным в ней, нас нагружают всякими правилами,
по которым химия действует, формулами молекулярных структур, прописями химических реакций и тому подобным. Химики-то пусть говорят, что эти правила
и прописи — штука важная, но у большинства людей они восторженного интереса
все-таки не пробуждают.
И потому в этой книге мы эти самые правила подробно разбирать не будем.
Захотите — найдете их в других изданиях. Я в основном сосредоточилась на том,
что мне в химии кажется важным и интересным. Именно так увлек меня этой
наукой мой учитель химии, мистер Смэйлз. Он показал мне, как делаются мыло
и нейлон, — а еще он носил замечательные галстуки.

01 Атомы
Атомы — строительный материал и химии, и всей нашей
Вселенной. Из них состоят простые вещества, планеты,
звезды — и мы с вами. Поняв, как устроены атомы
и как именно они взаимодействуют, можно разобраться
практически во всем, что происходит в химических
реакциях — и лабораторно, и в природе.

Ш
* Уильям Стэнли
«Билл» Брайсон
(р. 1929) — англиканский священник, занимавший высокие церковные посты по обе
стороны Атлантики. —
Здесь и далее примечания переводчика;
транскрипция имен
собственных, соответствующая современным
произносительным нормам, приводится в квадратных скобках при
первом упоминании.

ироко известно высказывание Билла Брайсона* — он писал,
что в любом из нас может быть до миллиарда атомов, которые
прежде слагали Уильяма Шекспира. «Ух ты, — думаете вы, —
целый миллиард атомов покойного Шекспира!» Ну, миллиард-то он
миллиард, и все же… С одной стороны, любой из нас проживает к своему 33-летию примерно 1 000 000 000 секунд. С другой — миллиард крупинок соли поместится в обычную ванну, но миллиард при
этом — это одна миллиардная миллиардной общего числа атомов
в одном человеческом теле. Что более или менее иллюстрирует, сколь
мал атом: в одном только вашем теле их миллиард миллиардов миллиардов, и, стало быть, атомов покойного Шекспира в вас не хватит
даже на одну клетку мозга.

ЖИЗНЬ — ПЕРСИК
Атомы до того малы, что до недавнего времени их нельзя было увидеть. Разработка микроскопов сверхвысокого разрешения изменила ситуацию, и в 2012 году австралийские ученые смогли сделать
фотографию тени, которую отбрасывает один-единственный атом.
Но химикам и не требовалось видеть атомы, чтобы понимать:
на некоем глубинном уровне устройство атома объясняет почти
все, что случается и в лаборатории, и в жизни. Много чего в химии

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
Около 400 до н. э. 1803

1904

1911

Греческий философ
Демокрит описывает
незримые частицы,
подобные атому

Джозеф Джон Томсон
предлагает модель
устройства атома
(«сливовый пудинг»)

Эрнест Резерфорд
[Разерфорд] описывает
атомное ядро

Джон Дальтон
[Долтон] выдвигает
атомистическую
теорию

АТОМЫ
еще тоньше и происходит на уровне частиц под названием «электроны»; из них
состоит внешнее пространство атома.

Атомистическая теория
и химические реакции

Если бы можно было взять атом в лаВ 1803 году английский химик Джон Дальдонь, словно персик, косточка была бы
тон прочитал лекцию, в которой выдвинул
ядром, состоящим из протонов и нейтеорию, согласно которой материя состоит
тронов, а сочная мякоть — электронаиз неуничтожимых частиц — атомов. Дальми. Более того, будь персик атомом, потон, по сути, сказал, что в состав каждого
лучилась бы сплошь мякоть, а косточка
простого вещества входят атомы определенного вида и они могут образовывать
оказалась бы такой маленькой, что
сложные вещества, и что химические реаквы проглотили бы ее, не заметив, поции суть перестановка этих самых атомов.
тому что бо 2льшая часть атома состоит
из электронов. Но именно сердцевина
атома стягивает его воедино. В ней находятся протоны — положительно заряженные частицы, которые не дают отрицательно заряженным частицам — электронам — разлететься во все стороны.

ПОЧЕМУ АТОМ КИСЛОРОДА — ЭТО АТОМ КИСЛОРОДА
Не все атомы одинаковы. Вы, возможно, уже поняли, что у атома
с персиком не так уж много общего, но давайте все же разовьем эту
аналогию. Атомы бывают разные — с разными вкусами. Пусть наш
персик будет атом кислорода, тогда слива, скажем, — это атом углерода. И тот и другая — маленькие округлые предметы, наполненные
электронами, которые окружают протонную косточку, однако свойства у них очень разные. Атомы кислорода болтаются в воздухе парами (О2), а атомы углерода (С) могут соединяться в большие группы
и образовывать твердые вещества — например, алмаз или графит, как
в карандашном грифеле. Кислород и углерод — разные химические
элементы (см. с. 8), потому что ядра их содержат разное число протонов. У кислорода их восемь, это на два больше, чем у углерода. Большие, тяжелые ядра элементов вроде сиборгия или нобелия содержат
более сотни протонов.

1989

2012

Исследователи из компании Открытие бозона Хиггса
[Хиггза] расширяет
«Ай-би-эм» выкладывают
стандартную модель атома
аббревиатуру IBM
из отдельных атомов

5

6

АТОМЫ

Вдадимся в подробности
Ранняя модель атома Дж. Дж. Томсона — «сливовый пудинг» —
представляла атом как рыхлый положительно заряженный
«пудинг», в котором равномерно распределены «сливы» — отрицательные заряды (электроны). Эта модель со временем изменилась: ныне мы знаем, что протоны и другие субатомные частицы под названием «нейтроны» образуют крошечный плотный
центр атома, а электроны — окружающее их облако. Вдобавок
нам известно, что в протонах и нейтронах есть кварки — частицы еще меньше. Химики на этих мельчайших частицах не задерживают внимание — это занятие для физиков, которые растаскивают атомы на составляющие и ищут новые субатомные
компоненты с помощью ускорителей элементарных частиц.
Однако важно помнить, что научная модель атома и того, как
устроена материя во Вселенной, все еще развивается. Открытие бозона Хиггса в 2012 году, к примеру, подтвердило существование частицы, которую физики к тому времени уже включили в свою модель и учитывали при составлении прогнозов
о существовании других частиц. И все же еще предстоит определить, тот ли это вид бозонов Хиггса, который они искали.

Электрон

Ядро

Нейтрон

Протон

Невероятно плотное ядро
атома содержит положительно
заряженные частицы (протоны)
и незаряженные (нейтроны),
а вокруг на орбитах
располагаются отрицательно
заряженные частицы
(электроны).

Когда в такое ничтожно малое пространство напихано столько взаимно
отталкивающихся положительных зарядов, равновесие очень шатко, его
легко нарушить, и поэтому ядра тяжелых элементов нестабильны. Обычно
в атоме, какого бы сорта он ни был, электронов столько же, сколько протонов в ядре. Если электрон теряется или приобретается, положительный
и отрицательный заряды перестают уравновешиваться и атом превращается в ион — заряженную частицу. Ионы играют в веществе важную роль:
без их взаимодействий многие вещества просто не существовали бы.

КИРПИЧИКИ ЖИЗНИ
Атомы входят в состав не только содержимого кухонного буфета, но
и всего, что ползает, дышит и пускает корни; из атомов состоят молекулы потрясающей сложности — ДНК и белки у нас в мышцах, костях и волосах. Им это удается благодаря связям с другими атомами (см. с. 20).

7

АТОМЫ
Но вот что интересно в жизни всей нашей
планеты: несмот ря на невероятное разнообразие, в ней всегда есть атомы одной разновидности — углеродные.



КРАСОТА ЖИВОГО — НЕ АТОМЫ
В ЕГО СОСТАВЕ, А ТО, КАК ЭТИ
АТОМЫ СОБРАНЫ ВОЕДИНО

От бактерии, сражающейся за выживание
у бурлящего жерла вулкана в глубочайших, мрачнейших углах Мирового океана,
до птиц, парящих в небесах, — нет такого живого существа на планете,
в котором нет атомов углерода. Однако, поскольку мы еще не обнаружили жизнь на других планетах, сказать, случайность ли — такая эволюция
жизни, способна ли она существовать на основе другого элемента, мы
не можем. Поклонники научной фантастики хорошо разбираются в альтернативных биологиях: инопланетные формы жизни — существа на основе кремния — фигурируют в «Звездном пути» и «Звездных войнах».

АТОМ ЗА АТОМОМ
Развитие нанотехнологий (см. с. 180), которые обещают много разного — от более эффективных солнечных батарей до лекарств, которые
отыскивают и уничтожают раковые клетки, — привлекло к атому пристальное внимание. Инструменты нанотехнологий оперируют в масштабах одной миллиардной метра, что по-прежнему крупнее отдельного
атома, однако такой масштаб позволяет мыслить в категориях перестановок отдельных атомов и молекул. В 2013 году исследователи из компании IBM создали покадровый анимационный фильм, в котором мальчик
играет с мячом. И мальчик, и мяч составлены из отдельных атомов меди,
и все их в фильме видно. Ни с чем мельче человечество за всю свою историю не возилось. Наука наконец начинает работать в масштабах, соответствующих видению нашего мира у химиков.

В сухом остатке:



Карл Саган [Сэйгэн] (1934–1996),
американский астроном, астрофизик,
популяризатор науки

Кирпичики

02 Простые вещества
Ради открытия новых простых веществ — то есть
состоящих из атомов одного химического элемента —
химики пускаются во все тяжкие. Периодическая
таблица элементов подсказывает нам, в каком примерно
порядке происходили открытия, но это не просто
список элементов. Закономерности Периодической
таблицы описывают природу простых веществ, а также
особенности их взаимодействия друг с другом.

Н

емецкий алхимик XVII века Хенниг Бранд (ок. 1630 — ок. 1710)
был золотоискателем. Женившись, он бросил службу в армии
и вложил приданое жены в поиски философского камня — мифического вещества или минерала, о котором алхимики грезили
многие века. Легенда гласит, что философский камень способен
трансмутировать обычные металлы вроде железа или свинца в золото. После смерти первой супруги Бранд нашел себе вторую и продолжил поиски в том же духе. Судя по всему, он решил, что философский камень можно синтезировать из телесных жидкостей,
и приобрел ни много ни мало 1500 галлонов человеческой мочи, из
которой вознамерился экстрагировать волшебное вещество. Наконец в 1669 году он сделал поразительное открытие, хоть и не философского камня. В ходе экспериментов, при кипячении и упаривании мочи, Бранд нечаянно стал первым человеком, получившим
простое вещество с применением химических методов.
Бранд добыл вещество, содержащее фосфор, которое он назвал холодным огнем, потому что оно светилось в темноте. Но простым веществом фосфор признали только в 1770-х годах. К тому времени простые

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
1669

1869

1913

Первое простое вещество (фосфор)
выделено химическими методами

Д. И. Менделеев
обнародует
первый вариант
Периодической таблицы

Генри [Хенри] Моузли
определяет простые вещества
по их атомному числу

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
вещества открывали сплошь и рядом:
всего за десятилетие химики выделили
кислород, азот, хлор и марганец.
В 1869 году, через два века после открытия Бранда, русский химик Дмитрий
Менделеев составил Периодическую таблицу, и фосфор занял в ней положенное
ему место — между кремнием и серой.

ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕМЕНТ?

Расшифруем
Периодическую таблицу
В Периодической таблице (см. с. 204–205)
элементы обозначены буквами. Некоторые
аббревиатуры очевидны: например, Na —
натрий. Зато другие — допустим, As (мышьяк) — не сразу понятно, откуда взялись.
Число над буквой — массовое, оно соответствует числу нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома этого элемента. Нижний
индекс — число протонов (атомное число).

В истории до сравнительно недавнего
времени элементами считали огонь,
воздух, воду и землю. Загадочный
пятый элемент — эфир — добавили,
чтобы как-то описать состав звезд, поскольку, с точки зрения философа Аристотеля, из земных элементов они состоять не могут. Слово «элемент» происходит от латинского elementum, что означает «первый принцип», или «простейшая форма», — неплохое описание, однако оно все же
не объясняет разницу между элементом и простым веществом.

А разница вот в чем. Простое вещество — форма существования атомов
определенного химического элемента, а химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Кусок Брандова фосфора — ядовитого вещества и составляющей одного нервно-паралитического газа,
так уж вышло, — состоит из атомов одного химического элемента. Что
занимательно, не все куски фосфора выглядят одинаково, потому что атомы фосфора могут быть организованы по-разному, из-за чего меняется
не только внутреннее устройство вещества, но и его внешний вид. В зависимости от того, как именно организованы его атомы, фосфор бывает белый, черный, красный или фиолетовый. Эти разновидности и ведут себя
по-разному — например, температуры плавления у них сильно разнятся.
Белый фосфор плавится на солнце в жаркий день, а черный придется для
этого греть до 600 °С в ревущей домне. Хотя и тот и другой состоят из одних и тех же атомов с составом из 15 протонов и 15 электронов.

1937

2000

2010

Впервые искусственно
получены атомы нового
химического элемента — технеция

Русские ученые синтезируют
атомы нового сверхтяжелого
химического элемента —
ливермория

Открытие элемента с атомным
числом 117 — унунсептия

9

10

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ
На несведущий взгляд, Периодическая таблица (см. с. 204–205) представляется эдакой оригинальной игрой «Тетрис», где, в зависимости
от того, на какую версию вы смотрите, те или иные детальки не долетели до дна. На первый взгляд в таблице не мешало бы навести порядок. На самом же деле этот сумбур строго упорядочен, и в кажущемся
кавардаке любому химику по силам быстро отыскать нужные сведения.
А все оттого, что в этой хитрой схеме содержатся скрытые закономерности, объединяющие элементы в соответствии с их атомным устройством
и химическим поведением.

Вдоль рядов таблицы слева направо элементы выстроены по порядку атомного числа — количества протонов в ядре атома элемента. Однако гений
Менделеева распознал, что свойства элементов с определенного места в таблице начинают повторяться и следует начать новый ряд. Соответственно,
из столбцов можно извлечь более подробные свеМИР ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ дения о том или ином элементе и его простых веПОДОБЕН ТЕАТРАЛЬНОЙ СЦЕНЕ… ществах. Возьмем столбец (группу) справа, от гелия до радона. Это благородные (инертные) газы,
АКТЕРЫ — ВЕЩЕСТВА
бесцветные и при нормальных условиях* чрезвыКлеменс Александр Винклер
чайно ленивые в отношении каких бы то ни было
(1838–1904), немецкий химик-технолог,
химических взаимодействий. Неон, к примеру,
первооткрыватель элемента германия
до того неактивен, что его никак не заставишь
создать химическое соединение ни с каким другим веществом. Причина
такого безразличия — в электронном устройстве атомов неона. Если пред* Нормальными ставить модель атома упрощенно, внутри любого атома электроны распоусловиями
лагаются на определенных концентрических оболочках — и лишь в опрепринято считать
давление 10 5 Па деленном количестве. Если оболочка уже заполнена, электроны занимают
и температуру следующий слой, отстоящий от ядра дальше. Поскольку число электронов
273 К (0 °С).
в атоме возрастает от элемента к элементу по мере увеличения атомного числа, у атома каждого элемента — своя электронная конфигурация.
Ключевая особенность благородных газов в том, что их внешние оболочки
заполнены. Такая структура очень устойчива, то есть электроны трудно
вовлечь в какие бы то ни было взаимодействия.





В Периодической таблице много и других закономерностей. При движении вдоль ряда слева направо, к инертным газам, вырвать электрон из
атома делается все труднее (требуется больше энергии); то же верно и при
движении снизу вверх.

ПРОСТЫЕ ВЕЩЕСТВА
Середина таблицы занята в основном металлами, и по мере приближения к нижнему левому углу они делаются все более
металлическими. Применяя понимание
этих закономерностей, химики предсказывают, как поведут себя в химических
реакциях те или иные простые вещества.

СВЕРХТЯЖЕЛЫЕ

11

Охота на тяжелейшего
среди сверхтяжелых
Жулики не нравятся никому, но они есть в любой профессии, и ученые — не исключение.
В 1999 году исследователи из Национальной
лаборатории имени Лоренса в Беркли (Калифорния) опубликовали статью, посвященную
открытию сверхтяжелых элементов № 116
(ливерморий) и № 118 (унуноктий). Но что-то
в той статье не сходилось. Другие ученые,
ознакомившись с новостью, попытались
повторить представленные калифорнийцами
эксперименты, но, как ни старались, им не
удалось получить ни единого атома элемента
№ 116. Оказалось, что один из «первооткрывателей» фальсифицировал данные, в результате чего некоему правительственному агентству в США, профинансировавшему эти
исследования, пришлось с позором отказаться от заявлений о прорыве в мировой науке.
Статью изъяли, а лавры открытия ливермория
достались группе русских исследователей годом позже. Ученого, подделавшего данные,
уволили. Вот каков престиж открытия нового
элемента в наши дни. Исследователи ради
этого готовы ставить на кон всю свою карьеру.

У химии с боксом мало общего, но одно
их роднит: и там и там есть свои чемпионы-сверхтяжеловесы. Те, что «в цыплячьем весе», плавают вверху Периодической таблицы — у атомов водорода и гелия
на двоих всего три протона, зато те, что
внизу, затонули под тяжестью своего атомного груза. Таблица за многие годы разрослась и включила в себя вновь открытые
элементы, все весомее и весомее. Однако
номером 92 — радиоактивным элементом ураном — завершается ряд элементов,
находимых в природе. И хотя в результате нейтронного захвата с последующим
бета-распадом образуется плутоний, его
количества в естественных условиях исчезающе малы. Плутоний обнаружили
в ядерном реакторе, а другие сверхтяжелые атомы получены столкновением атомов более легких элементов в ускорителях элементарных частиц. Охота еще не закончена, однако в любом случае
она теперь намного заковыристее, чем упаривание телесных жидкостей.

В сухом остатке:
Простейшие вещества

03 Изотопы
Изотопы — это не только смертоносные вещества,
из которых делают бомбы и которыми травят людей.
Понятие «изотоп» относится ко многим простым
веществам со слегка расширенной порцией субатомных
частиц. Изотопы есть в воздухе, которым мы дышим,
и в воде, которую пьем. Можно даже (совершенно
безопасно) сделать из них тонущий лед.

Л

ед плавает? Ха! Все атомы одного химического элемента
одинаковые — но разные. Возьмем простейшее вещество —
водород: у всех атомов этого элемента один протон и один
электрон. Атом водорода не был бы атомом водорода, не располагайся у него в ядре один протон. А что, если к этому одинокому
протону добавить нейтрон? Останется ли водород водородом?
Нейтроны — недостающий фрагмент головоломки, морочивший голову химикам и физикам вплоть до 1930-х годов (см. «Недостающие
нейтроны», с. 13). Эти нейтральные частицы никак не влияют на общее равновесие зарядов в атоме, но чувствительно меняют массу атома. Если в ядро водорода добавить два нейтрона, лед будет тонуть.

ТЯЖЕЛАЯ ВОДА
Если сунуть в атом водорода нейтрон, разница получится ощутимая,
ибо для легких атомов это удвоение порции нуклонов. В результате
получается «тяжелый водород» — дейтерий (D, или 2H), и, подобно
обычному водороду, атомы дейтерия с атомами кислорода образуют воду. Конечно, вода получается необычная — в нее входит водород с дополнительным нейтроном, то есть это «тяжелая вода» (D2O,
а не H2O), или, точнее, оксид дейтерия. Если взять тяжелую воду — ее

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
1500-е

1896

1920

Алхимики пытаются
трансмутировать вещества
в драгоценные металлы

Первое применение
радиации при лечении рака

Первое описание
«незаряженных
двойников» (нейтронов)
Эрнестом Резерфордом

ИЗОТОПЫ

Недостающие нейтроны
Вакуумный насос

Открытие нейтронов физиком ДжеймПолоний
Бериллиевая мишень
зом Чедвиком [Чэдуиком], который даАльфа-частица
Уловитель
Вакуумированная камера
лее продолжил работать над созданием
атомной бомбы, объяснило докучливую
неувязку с массой атомов. Прежде было
очевидно, что атомы тяжелее, чем должны быть. Чедвик считал, что атом никак
не может столько весить, если у него
в ядре одни лишь протоны. Словно атомы элементов отправляются на каникуНейтрон
лы с чемоданами, набитыми кирпичами.
Реакция,
вышибающая
нейтроны (n) из бериллиевой
Только кирпичей этих найти никто
мишени: 42He + 94Be → 10n + 126C
не мог. Наставник Чедвика, Эрнест Резерфорд, убедил его, что атомы втихаря таскают при себе какие-то субатомные частицы.
В 1920 году Резерфорд назвал эти незаряженные двойники нейтронами. Но Чедвик искал отчетливое подтверждение своей теории аж до 1932 года. Он обнаружил, что, если бомбардировать серебристый металл бериллий радиоактивным излучением полония, можно заставить
атомы бериллия испускать незаряженные субатомные частицы — нейтроны.

легко приобрести в интернете — и заморозить в формочке для льда, а потом бросить в стакан с простой водой, полученный лед утонет! Можете
для сравнения добавить в тот же стакан кубик обычного льда и подивиться разнице, которая возникает из-за одной субатомной частицы на атом.
В природе каждый из примерно 6400 атомов водорода наделен дополнительным нейтроном. Есть, впрочем, третий тип, или изотоп, водорода —
куда более редкий, и иметь с ним дело в домашних условиях несколько
менее безопасно. Тритий — изотоп водорода, в атомах которого содержится по одному протону и по два нейтрона. Тритий нестабилен и, как
и другие радиоактивные элементы, претерпевает радиоактивный распад. Его применяют в пусковых механизмах водородных бомб.

1932

1960

2006

Джеймс Чедвик открывает нейтрон

Нобелевская премия по химии
присуждена Уилларду Либби
за радиоуглеродную датировку
с применением углерода-14

Александр Литвиненко
умирает от отравления
радиоактивным полонием

13

14

ИЗОТОПЫ
РАДИОАКТИВНОСТЬ
Часто перед словом «изотоп» стоит слово «радиоактивный», и поэтому
может показаться, что все изотопы радиоактивны. Это не так. Как мы
только что убедились, существует совершено не радиоактивный, то есть
стабильный, изотоп водорода. Также существуют стабильные изотопы
углерода, кислорода и других находимых в природе атомов.
Неустойчивые радиоактивные изотопы распадаются, то есть их атомы
разлагаются на части — сбрасывают протоны, нейтроны и электроны.
В результате их атомное число меняется, и они превращаются в атомы
совсем иных химических элементов. Алхимики XVI–XVII веков сочли бы
это волшебством — они же и искали пути превращения атомов одних
элементов в другие (в идеале — в золото).

Атомы всех радиоактивных элементов распадаются с разной скоростью.
Углерод-14, разновидность углерода с 14, а не с 12, как обычно, нейтронами в ядре, безопасен в обращении и без всяких специальных предосторожностей. Если взвесить грамм углерода-14 и оставить образец на
подоконнике, ждать распада придется долго: на распад примерно половины атомов этого образца потребуется 5700 лет. Такая мера времени жизни — или скорости разложения — именуется периодом полураспада. У полония-214, напротив, период полураспада
составляет одну тысячную секунды, а это
Виды радиоактивного
значит, что в какой-нибудь параллельной
излучения
действительности, где вам разрешат отмерить грамм радиоактивного полония, вы
его даже до подоконника не донесете — он
Альфа-излучение — поток ядер, состоящих
уже напрочь распадется.
из двух протонов и двух нейтронов, что
отвечает составу ядра атома гелия. Это
слабое излучение, защититься от него
можно и листком бумаги. Бета-излучение —
поток быстрых электронов, оно способно
проникнуть под кожу человека. Гаммаизлучение — электромагнитная энергия,
подобная свету, отгородиться от него можно
толстым слоем свинца. Гамма-излучение
очень вредоносно; интенсивным гаммаизлучением уничтожают раковые опухоли.

Бывший русский шпион Александр Литвиненко и, возможно, палестинский лидер
Ясер Арафат были убиты более стабильным изотопом полония, который распадается за несколько дней, а не за несколько
секунд, но все равно смертоносен. В человеческом теле радиоактивное излучение,
испускаемое при распаде полония-210,
раздирает клетки и причиняет боли, недомогания и отказ иммунной системы.

ИЗОТОПЫ
Расследуя эти смерти, ученые выискивали продукты распада полония, поскольку атомов самого
полония не остается ни одного.

НАЗАД В БУДУЩЕЕ



15

РЕДКОЕ ОТКРЫТИЕ
В ХИМИИ ОКАЗЫВАЕТ СТОЛЬ
СИЛЬНОЕ ВЛИЯНИЕ НА МЫСЛЬ
В СТОЛЬ МНОГИХ ОБЛАСТЯХ
ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ ЖИЗНИ



Радиоактивные изотопы могут быть смертоносны, однако они же в силах помочь нам понять Арне Вестгрен (1889–1975),
наше прошлое. У углерода-14, который мы бро- шведский кристаллограф,
сили потихоньку распадаться на подоконнике, материаловед, на вручении Нобелевской
есть парочка способов применения в науке: во- премии по химии Уилларду Либби
первых, радиоуглеродная датировка ископае- за открытие радиоуглеродного анализа
мых окаменелостей, а во-вторых, получение сведений о климате прошлого. Поскольку мы уже знаем, сколько времени
требуется радиоактивным изотопам на распад, ученые умеют устанавливать возраст ископаемых предметов, мертвых животных и древнего
воздуха, сохранившегося во льдах, анализируя количества различных
изотопов. Любое животное за жизнь вдыхает небольшие количества
естественно существующего углерода-14, входящего в состав диоксида
углерода. Усвоение этого изотопа прекращается со смертью животного,
и углерод-14 у него в организме начинает распадаться. Поскольку ученые
знают, что период полураспада углерода-14 — 5700 лет, они могут вычислить, когда это окаменелое животное умерло.
Когда в ледяных шапках или ледниках, замерзших тысячелетия назад,
бурят отверстия, мы получаем готовую шкалу времени атмосферных изменений, основанную на составе содержащихся во льдах изотопов. Подобные наблюдения за прошлым нашей планеты могут позволить нам
предсказать, что случится с Землей в грядущем, поскольку содержание
диоксида углерода продолжает меняться.

В сухом остатке:
Один нейтрон — большая разница

04 Сложные вещества
В химии есть вещества, состоящие из атомов одного
элемента, а есть и такие, в состав которых входят
атомы двух и более видов, и эти вещества называются
сложными. Именно сочетания атомов различных
элементов составляют поразительное разнообразие
химии. Трудно оценить, сколько существует разных
химических веществ — учитывая постоянно
синтезируемые новые — и сколь обширно их применение.

В

ремя от времени в науке случаются открытия, которые противоречат тому, что прежде считалось фундаментальным законом. После такого открытия люди чешут в затылке и пытаются
понять, не произошло ли какой ошибки, не вкралась ли неточность
в данные. Далее, когда доказательство набирает силу и становится бесспорным, приходится переписывать учебники и в науке возникает совершенно новое направление исследования. Именно так
и вышло с открытием в 1962 году Нилом Бартлеттом нового сложного вещества.
Как-то раз в пятницу Бартлетт заработался допоздна и остался у себя
в лаборатории один — тут-то и произошло открытие. Он смешал два
газа — ксенон и гексафторид платины, и получилось твердое желтое
вещество. Что тут удивительного, подумаете вы, однако в те времена научное сообщество считало, что ксенон, как и другие инертные
газы (см. с. 10), совершенно не активен химически и не способен образовывать сложные химические вещества. Новое вещество — гексафторплатинат ксенона, и работа Бартлетта вскоре подтолкнула
ученых на получение других сложных веществ на основе инертных

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
1791

Начало 1800-х

1808

Этьенн Франсуа Жоффруа
разрабатывает таблицы сродства —
они показывают, как вещества
сочетаются друг с другом

Клод Луи Бертолле и Жозеф
Луи Пруст спорят о пропорциях,
в которых соединяются
простые вещества

Химическая атомистическая теория
Джона Дальтона подтверждает:
простые вещества соединяются
в строго определенных соотношениях

СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА
газов. За следующие несколько десятилетий было обнаружено еще
по меньшей мере сто таких веществ.
С тех пор эти соединения применяются при лечении опухолей, а также
в лазерной хирургии глаза.

2
РАЗБИВАЕМСЯ НА ПАРЫ
Вещество Бартлетта, конечно, перевернуло с ног на голову написанное
до этого в книгах, однако история
этого открытия — не просто красивый пример научного прорыва
и опровержения привычной «истины». Это еще и напоминание о том,
что в самих простых веществах (особенно неактивных) не очень-то много
прока. Ясное дело, применение у них
есть — неоновые огни, углеродные
нанотрубки и ксеноновая анестезия,
к примеру, — однако лишь поиском
новых, иногда чрезвычайно сложных
сочетаний веществ химикам удается
создавать лекарства, которые спасают жизни, и разрабатывать самые
передовые материалы.
Чтобы получить полезное в хозяйстве
вещество, необходимо объединить
несколько веществ — бывает, не одно
и не два: так возникают практически
все современные продукты, от топлива, тканей и удобрений до красителей, лекарств и моющих средств.
Мало что у вас в квартире состоит

17

Сложные
вещества / молекулы
Хотя существуют и одноатомные молекулы,
обычно в молекуле более одного атома. В состав одних молекул входят атомы одного и того
же элемента, как в O2, а в состав других — разных, как, например, в CO2. Но из этих двух веществ сложное — CO2, поскольку содержит атомы разных элементов, соединенные
химическими связями. Итак, молекулы составляют сложное вещество, но любое ли сложное
вещество состоит из молекул? Карты нам путают ионы (см. «Ионы», с. 19). Есть сложные вещества, которые состоят из этих заряженных
частиц, а не из молекул. В поваренной соли,
к примеру, ионы натрия (Na+) химически связаны с ионами хлора (Cl–) в обширной упорядоченной, повторяющейся кристаллической
структуре. Таким образом, независимых отдельных «молекул» хлорида натрия в образце
соли, говоря строго, нет. Поэтому химическая
формула NaCl показывает нам лишь соотношение ионов натрия и ионов хлора в веществе,
а не описывает его молекулярный состав.
С другой стороны, химики вполне могут походя
говорить о «молекулах хлорида натрия».
Вещества
Простые
вещества
Одноатомные
молекулы
(атомы)

Молекулы
Сложные
вещества

Смеси

1833

1962

2005

Майкл Фарадей [Фэрэдей]
и Уильям Уэвелл дают
определение иону

Нил Бартлетт доказывает, что
инертные газы могут входить
в состав сложных веществ

Оценена химическая
вселенная 11-атомных молекул,
состоящих из C, N, O и F

18



СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Я ПЫТАЛСЯ НАЙТИ ХОТЬ КОГО-НИБУДЬ,
С КЕМ МОГ БЫ ПОДЕЛИТЬСЯ СВОИМ
ПОРАЗИТЕЛЬНЫМ ОТКРЫТИЕМ, НО
ОКАЗАЛОСЬ, ЧТО ВСЕ УШЛИ УЖИНАТЬ!



Нил Бартлетт (1932–2008),
англо-американский химик, профессор

не из сложных веществ — если, конечно, как грифель в карандаше, оно
не сделано из простого вещества. Даже материалы, которые выросли или
сформировались сами собою, например, дерево и вода, — тоже сложные
вещества. Более того, они, вообще-то,
затейливее многих других.

СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА И СМЕСИ
Говоря о сложных веществах, необходимо провести одну важную границу. Сложные вещества — химические соединения, в состав которых входят атомы двух или более химических элементов. Однако простым помещением двух — или десяти — простых веществ в одно пространство
сложное вещество не получается. Частицам необходимо соединиться —
образовать химические связи (см. с. 20). Без химических связей выйдет
нечто похожее на светский раут для атомов разных элементов — ученые
именуют это смесью. Атомы некоторых элементов объединяются с себе
подобными — как, например, кислород воздуха, существующий в основном в виде молекул O2. Два атома кислорода образуют молекулу кислорода, но это — не сложное вещество, потому что в этих молекулах содержатся атомы лишь одного химического элемента.
Сложные вещества, таким образом, это соединения, содержащие частицы более чем одного химического элемента. Вода — сложное вещество,
потому что в ее состав входят атомы двух химических элементов — водорода и кислорода. Большинство современных материалов и промышленных продуктов — сложные вещества, однако не любое сложное вещество
состоит из молекул (см. «Сложные вещества / молекулы», с. 17).

ПОЛИМЕРЫ
Некоторые химические соединения — вещество в веществе: они состоят
из звеньев, повторенных много раз, в результате чего получается своего рода нитка бус. Такие вещества называются полимерами. Некоторые
вам хорошо знакомы: полиэтилен, из которого сделаны магазинные пакеты, поливинилхлорид (ПВХ) «виниловых» пластинок, полистирольные контейнеры, в которых продают еду на вынос, — про эти сразу все
понятно. Однако есть и менее очевидные полимеры — нейлон и шелк,
а также ДНК и белки мышц: все это — полимеры. Повторяющееся звено

СЛОЖНЫЕ ВЕЩЕСТВА
во всех полимерах, и природных,
и искусственных, называется
мономером. Много соединенных
между собой мономеров — полимер. Нейлон особенно показателен: в любой школьной лаборатории можно увидеть эксперимент,
когда из пробирки вытягивают
нейлоновое волокно — хоть на катушку наматывай, как обычную
нитку.

19

Ионы
Когда атом приобретает или теряет отрицательно
заряженную частицу — электрон, меняется равновесие зарядов и весь атом в целом делается
заряженным. Такой заряженный атом называется
ионом. То же бывает и с молекулами, и тогда образуются полиатомные ионы — нитрат-ион (NO3–) или
же силикат-ион (SiO44–), например. Возникновение
связи между разнозаряженными ионами — важный
способ образования химических веществ.

БИОПОЛИМЕРЫ
Биополимеры типа ДНК (см. с. 140) до того сложны, что природе на совершенствование искусства их изготовления потребовались миллионы
лет эволюции. Мономеры, то есть «вещества в веществе», этого полимера — нуклеотиды, сами по себе довольно сложные соединения. Связанные между собой, они образуют длинные полимерные цепочки, из которых и состоит шифр ДНК. Чтобы соединить эти мономеры, применяются
особые ферменты, и с их помощью к цепочке ДНК можно пристегнуть
отдельные дополнительные нуклеотиды. Дух захватывает, стоит только
подумать, что природа нашла способ создавать столь сложные вещества
прямо у нас в организме.
Так сколько же всего существует веществ? Если по-честному, это никому неведомо. В 2005 году швейцарские ученые попытались прикинуть,
сколько есть устойчивых веществ, содержащих лишь углерод, азот, кислород или фтор. У них вышло около 14 миллиардов, да и то речь лишь
о веществах, состоящих не более чем из 11 атомов. «Химическая вселенная», как они ее назвали, — воистину велика.

В сухом остатке:
Химические сочетания

05 Как это все крепится
Как устроена поваренная соль? Почему вода кипит
при 100 °С? Еще важнее: почему кусок металла
подобен общине хиппи? Ответы на эти и многие другие
вопросы можно отыскать, уделив внимание крошечным
отрицательно заряженным частицам — электронам,
что витают вокруг атомов и между ними.

А

томы крепятся друг к дружке. А если бы было не так? Ну, для
начала, во Вселенной воцарился бы страшный кавардак. Без
связей и сил, удерживающих материю изнутри, ничто не существовало бы в привычном нам виде. Все атомы, из которых состоят
ваше тело, голуби, мухи, телевизоры, кукурузные хлопья, Солнце
и Земля, болтались бы себе в практически бескрайнем море атомов.
Так что же соединяет атомы?

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ ЗАРЯД
Так или иначе, атомы внутри молекул и веществ соединены между
собой электронами — крохотными субатомными частицами, образующими облако отрицательного заряда вокруг положительно
заряженного ядра. Электроны упорядочены внутри атома в соответствии со своим уровнем энергии и образуют электронные оболочки вокруг ядра, а поскольку у атомов каждого элемента разное
количество электронов, на внешней оболочке атомов оказывается
разное число электронов. Электронное облако атома натрия выглядит не так, как у хлора, и у этой разницы есть свои интересные
следствия. Скажем больше: это вообще причина их соединения.
Натрий легко отдает единственный электрон с внешней оболочки.
Потеря одной отрицательно заряженной частицы превращает атом
натрия в положительно заряженный ион (Na+). А вот атом хлора

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
1819

1873

Йенс Якоб Берцелиус выдвигает
предположение, что химические
связи образуются благодаря
электростатическому притяжению

Ян Дидерик Ван-дер-Ваальс
выводит уравнение,
описывающее межмолекулярные
силы в газах и жидкостях

КАК ЭТО ВСЕ КРЕПИТСЯ
легко присоединяет один электрон и так заполняет свою внешнюю электронную оболочку,
превращаясь в отрицательно заряженный ион (Cl–). Противоположности притягиваются — и извольте: получается химическая
связь. И немножко соли — хлорида натрия (NaCl).
Вдумавшись в Периодическую
таблицу, понимаешь, до чего легко электроны добыть и потерять
и что именно распределение отрицательного заряда определяет, как атомы вещества крепятся
друг к дружке. От того, как электрон добыт, отдан или перешел
в общее пользование, зависит
тип связи между атомами и типы
веществ, которые из этих атомов
состоят.

ЖИЗНЕННЫЕ СИТУАЦИИ
Есть три основных типа химических связей. Начнем с ковалентной, в которой каждая молекула
вещества — семейка атомов с несколькими общими электронами. Эти электроны спарены лишь
между членами семьи одной молекулы. Представьте себе жизненную ситуацию: каждая молекула,
или семья, обитает в симпатичном отдельном домике, держит

21

Одинарные, двойные
и тройные связи
Если попросту, любая ковалентная связь — общая
для двух атомов электронная пара. Электронов, которыми одному атому приходится делиться с другим,
обычно столько, сколько их у атома на внешней оболочке. К примеру, поскольку у атома углерода
на внешней оболочке четыре электрона, он может
образовывать четыре электронные пары с другим
атомом — или четыре связи. Способность углерода
образовывать четыре связи обусловливает устройство практически всех органических (содержащих
углерод) соединений, в которых углеродный скелет
оснащен атомами других разновидностей: в длинных органических молекулах-цепочках электроны
атомов углерода образуют пары с электронами других таких же атомов, а также часто — с атомами водорода. Однако иногда у двух атомов есть более одной общей электронной пары, то есть получается
двойная связь углерод-углерод — или углерод-кислород. Бывают и тройные связи, когда у двух атомов
три общие электронные пары, но три электрона
на внешней оболочке есть у атомов далеко не всех
элементов. У водорода, к примеру, всего один.

H

H

H
|
H—C—H
|
H

С

H

H

CH4 (метан)
Электронная конфигурация (слева)
и структурная формула (справа)

1912

1939

1954

2012

Том Мур и Томас Уинмилл
формируют понятие о водородной
связи, позднее его поддерживает
Лайнус Полинг

Издана «Природа
химической связи»
Лайнуса Полинга

Полинг получает
Нобелевскую премию
за исследование
химических связей

Квантовые химики выдвигают гипотезу о химической связи, возникающей в сильных магнитных полях —
вокруг карликовых звезд, например

22



КАК ЭТО ВСЕ КРЕПИТСЯ

Я ТОЛЬКО ЧТО ВЕРНУЛСЯ С КРАТКИХ
КАНИКУЛ, КУДА ВЗЯЛ С ПОЛДЕСЯТКА
ДЕТЕКТИВОВ И ВАШУ КНИГУ «ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ». ВАША ОКАЗАЛАСЬ
САМОЙ УВЛЕКАТЕЛЬНОЙ

в нем свое добро, сама по себе. Так живут
молекулы вроде диоксида углерода, воды
и аммиака — пахучего вещества, которое самопроизвольно улетучивается из
удобрений.



Ионные связи возникают по принципу
«противоположности притягиваются»,
как в случае с хлоридом натрия в примере с поваренной солью. Такой вид связи подобен житью в многоквартирнике, где у любого обитателя есть соседи слева и справа, а также сверху
и снизу. Тут уже нет отдельных домиков, это одно высотное здание.
Свой скарб жильцы в основном держат при себе, однако близкие соседи
берут или отдают электрон-другой. Это связывает их между собой — образуются соединения с ионными связями, и атомы не расстаются друг
с другом, потому что существуют как противоположно заряженные
ионы (см. «Ионы», с. 19).

Американский ученый Гилберт Льюис,
из письма Лайнусу Полингу (1939)

А есть еще металлическая связь. Связь в металлах несколько страннее.
Возникает она по тому же принципу притяжения противоположных
зарядов, но тут у нас не жилая высотка, а, скорее, община хиппи. Все
электроны — обобществленные. Эти отрицательные заряды вольно обретаются в металле, и положительно заряженные ионы металла то берут
их себе попользоваться, то возвращают в коллективный котел. Поскольку все общее, нет никакого воровства — словно все держатся вместе на
чистом доверии.
На одних этих связях Вселенная единой не осталась бы. Помимо сильных
связей внутри молекул и веществ есть слабые взаимодействия, которые
стягивают воедино целые ансамбли молекул — подобно общественным
связям, удерживающим вместе человеческие сообщества. Сильнейшие
из таких взаимодействий можно наблюдать в воде.

ПОЧЕМУ ВОДА — ОСОБЕННАЯ
Вам, вероятно, это и в голову не приходило, однако то, что вода у вас
в чайнике закипает при 100 °С, — штука довольно странная. Температура кипения воды куда выше, чем можно было бы ожидать от вещества, состоящего из водорода и кислорода. Поглядев в Периодическую
таблицу (см. с. 204–205), можно было бы предположить, что кислороду

КАК ЭТО ВСЕ КРЕПИТСЯ
естественно вести себя так же, как
другим элементам из его столбца.
Однако, сотвори вы водородсодержащие вещества с участием атомов элементов, расположенных
под кислородом, попросту вскипятить их в чайнике вам не удастся.
А все потому, что все три эти вещества кипят при температуре ниже
нуля по Цельсию, а это значит, что
при температуре, нормальной для
вашей кухни, эти вещества — газы. А вода при температуре ниже
нуля — все еще твердое вещество,
лед. Так почему же соединение,
состоящее из кислорода и водорода, остается жидким при столь
высоких температурах?

23

Ван-дер-Ваальс
Силы Ван-дер-Ваальса, названные в честь голландского физика, — это сравнительно слабые взаимодействия между атомами. Они существуют потому, что даже в химически устойчивых атомах
и молекулах электроны все же не замирают на одном месте, и поэтому распределение заряда меняется. Это означает, что отрицательно заряженная
часть одной молекулы может временно притянуть
положительно заряженную часть другой. Более
стойкое разделение заряда возникает в полярных
молекулах — в воде, например, и тогда получаются
связи посильнее. Водородные связи — особый случай такого притяжения, в котором образуются межмолекулярные контакты значительной силы.

Все дело в силах, удерживающих молекулы воды вместе как единую
группу, — они не дают им разлететься во все стороны при малейшем
нагреве. Эти так называемые водородные связи образуются между
атомами водорода одной молекулы и атомами кислорода другой. Как
именно? И здесь тоже все сводится к электронам. В молекуле воды два
водородных атома оказываются «в одной постели» с кислородом, который тащит все одеяло — отрицательный заряд, то есть электроны, —
на себя. И частично положительно заряженные оголенные атомы водорода тянутся к кислородам-эгоистам из других молекул воды, потому
что на них отрицательный заряд. У каждой молекулы воды есть два
водорода, и она может образовывать две водородные связи с другими
молекулами воды. Те же силы притяжения помогают объяснить решетчатое устройство льда и натяжение на поверхности пруда, благодаря
которому по ней носятся водомерки.

В сухом остатке:
Делимся электронами

06 От фазы к фазе
Мало что подолгу остается неизменным. Химики
говорят о фазовых переходах в материи; если сказать
проще — вещества меняются. Материя может принимать
множество разных обличий, и помимо привычных
твердого, жидкого и газообразного состояний существует
немало других, более причудливых состояний материи.

В

спомните, что происходит с плиткой шоколада, если забыть ее
в кармане в жаркий день. Можно выложить ее в прохладном
месте, она опять отвердеет, но на вкус будет не совсем такая
же, как прежде. Почему? Ответ на этот вопрос дает понимание разницы между исходным состоянием шоколада и тем, во что он превращается, растаяв и затвердев. Но для начала вернемся к школьным урокам природоведения.

ТВЕРДОЕ, ЖИДКОЕ, ГАЗООБРАЗНОЕ… И ПЛАЗМА
У материи есть три общеизвестных фазовых (агрегатных) состояния: твердое, жидкое и газообразное. Помните, вам про это рассказывали в школе? Простейший пример смены агрегатных состояний
вещества — замерзание и плавление воды, то есть переход между
твердым и жидким состоянием. Многие другие вещества тоже плавятся, переходя из твердого состояния в жидкое. Разные фазовые
состояния часто объясняют плотностью расположения атомов или
молекул в веществе. В твердой фазе частицы напиханы плотно, как
люди в тесном лифте, в жидкости же молекулы двигаются свободнее. В газе частицы распределены в пространстве еще шире, у их
движения нет ограничений — словно двери лифта открылись и пассажиры разбрелись кто куда.

СТРЕЛА ВРЕМЕНИ
1832

1835

1888

Первое применение точек
плавления для описания
органических веществ

Адриан-Жан-Пьер
Тилорье описывает
сухой лед

Фридрих Рейнитцер открывает
жидкие кристаллы

25

ОТ ФАЗЫ К ФАЗЕ



СТРЕМИТЕЛЬНО ДВИЖЕТСЯ
Обычно эти три состояния материи — предел
бытового знания, однако имеется несколько бо- ПО ГЛАДКОЙ ПОВЕРХНОСТИ,
лее таинственных и, видимо, менее известных. СЛОВНО НЕСЕТ ЕГО ПОДОБНАЯ
Во-первых, есть фазовое состояние со слегка
ГАЗУ АТМОСФЕРА, ПОСТОЯННО
футуристическим названием — плазма. Это газоподобное состояние материи применяется ЕГО ОКРУЖАЮЩАЯ, ПОКА
в экранах телевизоров, например: электроны НЕ ИСЧЕЗНЕТ ОН СОВСЕМ
отваливаются от своих ядер, и частицы материи Адриен-Жан-Пьер Тилорье
приобретают заряд. Разница с газами состоит (1790–1844), французский химик,
в том (если продолжить аналогию с лифтом), что о первом наблюдении за сухим льдом
двери открываются, а публика двигается прочь
не врассыпную, а довольно упорядоченно. Поскольку частицы заряжены, они в плазме, скорее, «текут», нежели болтаются как придется. Жидкие кристаллы, применяемые в ЖК-экранах, —
еще один пример диковинного агрегатного состояния материи (см.
«Жидкие кристаллы», с. 26).



БОЛЕЕ ЧЕТЫРЕХ
Четыре агрегатных, или фазовых, состояния вполне описывают многие
изменения, которые мы ежедневно наблюдаем в материи. Их довольно
даже для некоторых менее рядовых превращений веществ. К примеру,
в дым-машинах, используемых в театрах и ночных клубах, способных
нагнетать очень плотные клубы дыма или тумана, применяют «сухой
лед» — твердый диоксид углерода (CO2). Если бросить его в горячую воду, он претерпевает необычную метаморфозу — переходит из твердого
состояния в газообразное, минуя жидкое (поэтому его и зовут сухим
льдом). Фазовый переход из твердого состояния в газ называется сублимацией (возгонкой). Когда это происходит, все еще не успевший нагреться газ конденсирует пары воды из воздуха и получается туман.
Но все же эти четыре агрегатные состояния не отвечают на вопрос, поставленный в начале этой главы: почему шоколад меняет вкус только потому,
что расплавился и потом опять застыл. Он же опять твердое вещество. Дело
в том, что фаз существует больше, чем классических четыре. Множество

1928

1964

2013

Ирвинг Ленгмюр дает
название плазме

Первые действующие
ЖК-мониторы

Предсказано существование еще
одного фазового состояния воды
в планетах-«ледяных гигантах»

26

ОТ ФАЗЫ К ФАЗЕ

Жидкие кристаллы
О жидкокристаллическом агрегатном состоянии
многие знают благодаря ЖК-мониторам, применяемым в современной электронике. Многие материалы могут находиться в этой фазе — не только те, что
есть у вас в телевизоре, хромосомы в клетках вашего тела тоже можно считать жидкими кристаллами.
Название подсказывает, что жидкокристаллическое
состояние есть нечто среднее между жидкостью
и твердым кристаллом. Молекулы, обыкновенно
в форме палочек, случайно распределены в одном
направлении (как в жидкости), однако упорядочены
в другом (как в кристалле). Так происходит потому,
что силы, стягивающие молекулы воедино, в одном
направлении слабее, чем в другом. Молекулы в жидких кристаллах образуют слои, способные скользить
относительно друг друга. Но внутри слоев случайно
расположенные молекулы все еще подвижны. Именно это сочетание подвижности и упорядоченности
и обусловливает поведение вещества в такой фазе
подобно жидкости. В ЖК-мониторах расположение
молекул и зазоров между ними влияет на то, как
они отражают свет и какой цвет мы воспринимаем.
Воздействуя при помощи электричества на положение стиснутых между двумя стеклами молекул
в жидком кристалле, можно создавать узоры
и образы на экране.

Твердый
кристалл

Жидкость

Жидкий
кристалл

веществ имеют гораздо большее
разнообразие фазовых состояний
даже в твердом виде, и многие из
этих твердофазных состояний —
кристаллические. Масло какао
в шоколаде — на самом деле кристаллическое, и от того, как именно кристаллы образовались, зависит, какое именно у шоколада
фазовое состояние.

ШЕСТЬ ВИДОВ ШОКОЛАДА
Итак, теперь мы готовы разрешить загадку вкуса шоколада.
Наверное, вы уже догадались, что
шоколад не так прост, как выглядит. Главный ингредиент шоколада — масло какао, оно состоит
из триглицеридов, но мы для простоты станем называть их «масло
какао». Оно может образовывать
не менее шести кристаллических
форм — полиморфных модификаций, и все они наделены разной
структурой и плавятся при разных температурах. Плавлением
и отвердеванием шоколад образует разные полиморфные модификации, у каждой — свой вкус.
Даже если хранить шоколад при
комнатной температуре, он постепенно, но неуклонно преобразуется в другую полиморфную
разновидность — самую устойчивую. Именно поэтому, развернув
шоколадку, которая провалялась
несколько месяцев, обнаруживаешь, что у нее какой-то хворый

ОТ ФАЗЫ К ФАЗЕ
вид. Белый налет вашему здоровью не повредит. Это просто полиморфная модификация шоколада (VI). В некотором смысле все
масло какао «хочет» принять форму (VI) — она устойчивее всех
прочих. Но на вкус она так себе.
Чтобы замедлить переход шоколада к этому состоянию, можно
хранить его при пониженных
температурах — в холодильнике,
например.

Новые фазы
Вещества могут существовать во множестве фаз,
есть среди них и такие, которые еще не довелось
открыть. Ученые постоянно натыкаются на неведомые доселе фазовые состояния воды (см. с. 116).
В 2013 году в журнале Physical Review Letters увидела свет статья, в которой авторы заявили о существовании сверхстабильного «суперионного» льда,
который, по прогнозам, обилен в ядрах планет«ледяных гигантов» — Урана и Нептуна.

Возможность влиять на состояние
шоколада чрезвычайно важна для
пищевой промышленности, очевидно, и потому химиками проводились
некоторые сложнейшие исследования полиморфизма шоколада. В 1998 году