Химические реакции, физические процессы.
Химические реакции, физические процессы.

Во всех процессах, которые мы описывали до сих пор, атомы и ионы не обменивались партнерами, но, конечно, бывают ситуации, когда сочетание атомов меняется, образуя новые молекулы. Это показано на рис. 1.8. Процесс, в котором связи между атомами подвергаются перестройке, называется химической реакцией. Другие процессы, о которых мы говорили до этого, называются физическими процессами, но между теми и другими нет четкого различия. Природе все равно, как мы называем это, она просто делает свое дело. Предполагается, что на этой картинке изображен углерод, сгорающий в кислороде. В молекуле кислорода два атома соединены очень крепко. А почему не соединяются три или четыре? Это одна из очень важных характеристик подобных атомных процессов. Атомы очень своеобразны: они предпочитают определенных партнеров, определенные направления. Дело физики — проанализировать, почему они обладают именно такими склонностями. Во всяком случае, два атома кислорода, образуя молекулу, очень этим довольны. 

 

Рис. 1.8. Уголь, горящий в кислороде Предположим, что углерод имеет кристаллическую форму которая может быть либо графитом, либо алмазом . Тогда одна молекула кислорода может приблизиться к углероду, каждый атом кислорода подхватит один атом углерода и они улетят уже в новом сочетании — «углерод-кислород» — которое является молекулой угарного газа. Его химическое обозначение СО. Очень просто: буквы «СО» — это фактически изображение данной молекулы. Но углерод притягивает кислород гораздо больше, чем кислород притягивает кислород или углерод — углерод. Поэтому в данный процесс кислород входит с относительно небольшой энергией, но кислород и углерод хватаются друг за друга с огромной жадностью и сообщают энергию всему вокруг. Таким образом генерируется большое количество энергии движения (кинетической энергии). Это, конечно, и есть горение; мы получаем тепло от соединения углерода и кислорода. Теплота обычно проявляется в виде движения горячего газа, но в некоторых случаях ее может быть так много, что она производит свет. Так получается огонь. Кроме того, окись углерода не вполне насыщена. Она может присоединить еще один атом кислорода, и тогда мы получим гораздо более сложную реакцию, в которой кислород соединяется с углеродом, причем в то же время происходит столкновение с молекулой окиси углерода. Один атом кислорода может присоединиться к СО и образовать в конце концов молекулу, составленную из одного атома углерода и двух атомов кислорода, которая обозначается С02 и называется углекислым газом (или двуокисью углерода). Если углерод сжигается при большом недостатке кислорода очень быстро (например, в двигателе автомобиля, где взрывы настолько часты, что для образования углекислого газа нет времени), то образуется значительное количество угарного газа. В ходе многих подобных реакций высвобождается огромное количество энергии, производя взрывы, вспышки огня и, все зависит от типа и условий реакции. Химики изучали такие сочетания атомов и обнаружили, что всякое вещество — это некоторое сочетание атомов. Чтобы объяснить эту мысль, рассмотрим другой пример. Если мы идем по полю, усеянному маленькими фиалками, то мы чувствуем «их запах». Это определенный вид молекулы, или сочетания атомов, проник в наши носы. Во-первых, как он проник туда? Это в общем просто. Если запах — это некоторый род молекул, носящихся в воздухе туда-сюда, то они могут случайно попасть в нос. Конечно, у них нет особенного желания попадать туда. Это лишь крохотная часть хаотичной массы молекул, бесцельно блуждая, оказывается вдруг в нашем носу. Теперь химики могут взять такие молекулы запаха фиалок, проанализировать их и узнать точное расположение атомов в пространстве. Мы знаем, что молекула углекислого газа прямая и симметричная: О-С-О. Это можно легко установить также и средствами физики. Однако даже для несравненно более сложных атомных структур, известных в химии, после длительного, увлекательного анализа можно понять пространственное расположение атомов. 

  

Рис. 1.9. Запах фиалки На рис. 1.9 показан воздух над фиалками. Снова мы видим здесь азот и кислород, а также водяной пар. Почему здесь оказался водяной пар? Потому что фиалка влажная. Все растения испаряют воду. Но среди них мы видим также «монстра», состоящего из атомов углерода, водорода и кислорода, которые выстроились в своеобразный узор. Это гораздо более сложное расположение атомов, чем в молекуле углекислого газа; на самом деле, это потрясающе сложное расположение. К сожалению, на картинке нельзя изобразить все, что известно химии об этой молекуле, так как расположение атомов в ней трехмерно, а у картинки лишь два измерения. Шесть атомов углерода, составляющих кольцо, образуют не плоское кольцо, а «гармошкой». Все углы и расстояния в ней известны. Так вот, химическая формула — это просто схема такой молекулы. Когда химик пишет такую формулу на доске, он пытается, грубо говоря, «растянуть» ее в двух измерениях. Например, мы видим «кольцо» из шести атомов углерода, и углеродную «цепочку», свисающую с одного конца. Второй атом углерода с конца связан с кислородом, крайний — с тремя атомами водорода, здесь два атома углерода соединились с тремя атомами водорода. Как же химик узнаёт, каково пространственное расположение атомов? Он смешивает вещество из двух пробирок, и если оно краснеет, это говорит ему, что оно состоит из одного атома водорода и двух присоединенных к нему атомов углерода; если же оно окрашивается в голубой цвет, то это ничего не значит. Эта разновидность исследовательской работы — одна из самых удивительных, и ею занимается органическая химия. Чтобы выяснить расположение атомов в этих невероятно сложных сочетаниях, химик смешивает два вещества и наблюдает, что происходит. Физик никогда не поверит, что химик знает, о чем говорит, описывая пространственное расположение атомов. Уже двадцать лет назад появился физический метод, дающий возможность в некоторых случаях посмотреть на подобные молекулы (не совсем такие же сложные, как эта, но содержащие часть ее) и определить место каждого атома не путем сравнения цветов, а по измерению расстояний между атомами. И вот — оказывается — химики почти всегда правы! На самом деле оказалось, что в запахе фиалки присутствуют три различные молекулы, которые отличаются только расположением атомов водорода. 

 

Рис. 1.10. Структурная формула молекулы запаха фиалки Одна из проблем химии — как придумать такое название для вещества, чтобы по нему можно было узнать, какое оно. Найти имя для его формы! Но в названии нужно отразить не только форму, но и порядок следования атомов — здесь кислород, там водород — указать, где в точности расположен каждый атом. Так что можно догадаться, что химические названия должны быть сложными, чтобы быть точными. Название молекулы запаха фиалок поэтому таково: 4-(2,2,3,6 тетраметил-5-циклогек-сан)-3-бутен-2-он. Оно полностью описывает строение молекулы, а его длина объясняется сложностью молекулы. Химики вовсе не хотят сделать свое знание непонятным для непосвященных, просто перед ними стоит очень сложная задача описать молекулу словами! Откуда же мы знаем, что атомы действительно существуют? При помощи одной уловки, которую мы описали выше: мы предполагаем, что атомы существуют, а затем получаем результаты, согласующиеся с этими предсказаниями, какими они должны быть, если всё состоит из атомов. Есть также несколько более прямое доказательство: атомы настолько малы, что их невозможно увидеть при помощи оптического микроскопа, даже при помощи электронного микроскопа. (При помощи оптического микроскопа можно видеть лишь гораздо более крупные объекты.) Но атомы находятся в постоянном движении, и если мы поместим в воду большой шарик другого вещества (намного больший, чем атомы), этот шарик начнет хаотично двигаться — очень похоже на игру в пушбол, в которой множество людей толкают огромный мяч. Они толкают его в разные стороны, и мяч движется по полю непредсказуемо. Подобным образом и здесь: «большой мяч» будет двигаться из-за различной силы ударов то с одной, то с другой стороны. Поэтому, если рассмотреть очень крохотные частицы, взвешенные в воде (коллоид), через очень хороший микроскоп, мы увидим постоянное метание частиц — итог бомбардировки их атомами. Это называется броуновским движением. Другое подтверждение существования атомов дает структура кристаллов. Во многих случаях структуры, которые можно определить при помощи рентгеновского анализа, согласуются с теми, которые кристаллы действительно имеют в природе. Углы между различными гранями кристалла согласуются с точностью до секунд дуги с углами, вычисленными исходя из предположения, что кристалл состоит из «слоев» атомов. 


Все состоит из атомов. 

Это самое основное утверждение. Например, самое важное предположение биологии — все, что делают животные, совершают атомы. Иначе говоря, что бы ни делали живые существа, это можно понять с той точки зрения, что они состоят из атомов, действующих по законам физики. Это не было известно с самого начала: потребовалась некоторая экспериментальная и теоретическая работа, чтобы появилась эта гипотеза, но теперь она общепринята и приносит огромную пользу для порождения новых идей в области биологии. Если и кристаллик соли, и стальной кубик — лишь определенные сочетания атомов, но при этом они могут иметь столь различные свойства; если вода — эти мириады одинаковых капелек, заполняющих Мировой Океан, — может пениться и шумным прибоем обрушиваться на берег, образуя узоры на песке; если все это — вся многообразная жизнь водной стихии — производится одними лишь атомами, то сколько же еще в них скрыто возможностей! Если атомы не будут просто выстраиваться в какие-то определенные, без конца повторяющиеся структуры, пусть даже образуя иногда замысловатые молекулы, наподобие запаха фиалок, а вместо этого выстроятся так, что порядок будет всегда и везде разный, и разные атомы будут многообразно сочетаться, нигде не повторяя свой узор, — насколько более изумительные образования они могут произвести? Возможно ли, что эти «тела», которые сейчас ходят перед вами туда-сюда, говорят с вами — просто сгустки атомов, соединенных и действующих настолько сложно, что эта невероятная сложность поражает воображение? Когда мы говорим, что мы — сгустки атомов, мы не имеем в виду, что мы просто множества атомов, потому что лишь такой сгусток, который никогда не повторяется, может быть похож на то, что вы видите перед собой в зеркале.