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

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.