Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Глава 1. Из чего всё это сделано?

Из чего сделаны мальчишки и девчонки, а также их родители? Из чего сделано всё, что они носят в карманах, рюкзаках и сумочках, да и сами рюкзаки и сумочки? А папина машина в гараже, чайник на кухне, мамина косметика, бабушкины очки, сковородки и шкатулка с пуговицами? А ещё — диваны и табуретки, ролики и туфельки, мобильники и бутылки из-под пепси? Кстати, а из чего состоит сама газировка и вообще всё, что мы пьём и едим?

Ну, это просто, скажете вы. Стулья — из дерева, сковородка — из металла, бутылка для пепси — из пластмассы, а сама пепси — это химия, так говорит папа! Папа, конечно, прав, но мы имеем в виду другое. Всё, что окружает нас, всё, сотворённое природой и сделанное руками человека, состоит из веществ. Вещь и вещество — это так похоже и так легко запомнить!

Веществ очень много, и у каждого есть своё имя, часто (нередко) даже не одно. Возьмём, к примеру, соль в солонке. Мама называет её просто «соль», бабушка — «поваренная соль», а химики назовут это белое кристаллическое вещество с солёным вкусом «хлорид натрия». С сахаром — то же самое. Папа так и говорит: «Передай мне, пожалуйста, сахар», дедушка называет его песком, бабушка ворчит, что надо убрать эту «белую смерть» со стола, а химики назовут это белое кристаллическое вещество со сладким вкусом почти так же, как папа, — сахарозой, потому что настоящее химическое имя сахара — альфа-D-глюкопиранозил-бета-D-фруктофуранозид — произнести и тем более запомнить почти что невозможно. Не бойтесь, больше подобных названий в книге не будет.

Химических имён миллионы, как и самих веществ. Вещества бывают твёрдые как камень, жидкие как вода, газообразные, прозрачные и почти невесомые как воздух, которым мы дышим. Они бывают чёрными как уголь, рыжими как ржавчина, а то и вовсе бесцветными. Они могут источать сильный запах, а могут ничем не пахнуть, могут обжигать кожу или смягчать её. Одни растворяются в воде, а другие терпеть её не могут, одни вспыхивают и взрываются от малейшей искры, а другие не боятся огня, кто-то из них проводит электрический ток, а кто-то, наоборот, защищает нас от него...

Все вещества живут своей жизнью. Они могут мирно уживаться, как камень, вода и воздух на берегу ручья. Или как многие вещества на кухне. Возьмите пищевую соду и капните на неё подсолнечным маслом — ничего не произойдет. Капните соком лимона на поваренную соль из солонки — опять никаких изменений. Но некоторые вещества вступают в схватку, они действуют друг на друга — взаимодействуют. И это взаимодействие может протекать очень бурно. Хотите убедиться? Насыпьте немного пищевой соды на блюдце и выдавите на неё несколько капель из лимона. Сода зашипит и запенится, вступив во взаимодействие с лимонной кислотой, содержащейся в соке лимона. Поздравляю, вы провели первую химическую реакцию!

Хотите ещё? Пожалуйста! Есть у меня на примете прекрасная реакция между крахмалом и йодом. Давайте проведём её. Наверняка в вашей домашней аптечке есть настойка йода. Капните несколько капель в небольшое количество воды, чтобы получился раствор жёлтого цвета. А теперь отправляйтесь на кухню и поищите картофелину. В картошке очень много крахмала. Белые разводы на ноже, которые остаются после того, как мама порезала клубень на кусочки, и есть крахмал. Но нам достаточно разрезать картофелину пополам. А теперь на этот срез капните каплю-другую того жёлтого раствора, который вы только что приготовили, и посмотрите, что произойдёт. Очень быстро то место, куда вы капнули, станет синего цвета. Вот и появилось третье вещество — результат соединения крахмала с йодом. А теперь, используя эту реакцию, вы можете провести целое расследование на кухне и убедиться, что крахмал есть в макаронах, хлебе, рисе и даже в йогуртах.

Итак, у каждого вещества свой характер и внешний вид, свойства и темперамент. Из них-то и состоит всё, что нас окружает, в том числе и мы с вами.

Мы всего лишь капнули лимонный сок на пищевую соду... И вот что получилось

Так выглядит в природе минерал галит, который мы добываем и превращаем в соль в солонке

Хорошо, скажете вы, а из чего же состоит само вещество? На этот вопрос химики искали ответ сотни лет. И пришли к выводу, что вещества состоят из молекул — мельчайших его частиц, которые сохраняют свойства вещества, как народ состоит из отдельных людей, а кирпичный забор — из кирпичей.

Нидерландский врач и математик Исаак Бекман 14 сентября 1620 года записал в своем дневнике, что после деления дозы лекарства пополам обе полудозы сохранили свои целебные свойства. Следующее деление дало тот же результат. И тогда Бекман подумал: если делить дозу надвое вновь и вновь, то, наверное, настанет такой момент, когда крошечный осколок утратит свои свойства. Бекман назвал эту мельчайшую частичку, сохраняющую целительные свойства вещества, минимумом. Этот минимум означал то же, что и нынешний термин «молекула».

А вскоре, в 1636 году, появилось и само слово «молекула». Французский священник Пьер Гассенди, прославившийся работами по астрономии, математике, механике и философии, присоединил частицу-кула к слову «моль», означавшему тогда то, что теперь обозначается словом «масса». Получилось — очень-очень-очень маленькая масса.

Химики долго привыкали к этой идее, молекулярная теория продвигалась со скрипом, но с каждым годом она завоевывала всё больше сторонников. Так, постепенно, химики и сами не заметили, как начали использовать это понятие при объяснении свойств веществ. Но лишь в 1860 году в немецком городе Карлсруэ собрался Первый международный конгресс химиков, на котором учёные узаконили «молекулу» как термин.

Они столь малы, что невидимы обычному глазу. Мы можем видеть лишь крупинки или капельки вещества, состоящие на самом деле из очень большого числа молекул, крепко держащихся друг за дружку. И разорвать эти объятия не так-то просто. Например, невозможно измельчить тот же самый сахар до молекул, перетирая его в ступке. Но можно бросить его кристаллики в воду. Через мгновение они растворятся и исчезнут, станут невидимыми. Это значит, что в воде кристаллики сахара распались на отдельные молекулы, которые пустились в свободное плавание как рыбы в воде. А вот ещё один простой эксперимент. Налейте немного воды в блюдечко, поставьте на солнце и понаблюдайте за ним. Единственное, что вы увидите, так это то, что вода будет потихоньку исчезать из блюдца, испаряться. Но этот процесс испарения не видим глазу, потому что в воздух убегают одиночные молекулы воды, которые ни один глаз не разглядит.

И всё-таки, какого же они размера? Давайте мысленно возьмём молекулу обычной воды и увеличим её в миллион раз. И что получится? Нет, вовсе не слон, а маленькая точка на листе бумаги. Кстати, если в миллион раз увеличить Останкинскую телебашню, то по ней можно будет, теоретически, взобраться до Луны и даже дальше. Вот какие молекулы маленькие.

Тогда сколько же молекул умещается в одной крупинке того же сахара? Не поверите, два миллиарда миллиардов. Это такое огромное число, что его даже трудно представить и с чем-нибудь сравнить. Ведь если вы отправитесь пешком в звёздную систему Альфа Центавра, где разворачивается действие фильма «Аватар» и куда самый быстрый гонец в мире — свет — летит четыре с лишним года, то количество шагов, которые вы сделаете, всё равно будет в 25 раз меньше, чем количество молекул в крупинке сахара.

Каких только молекул не бывает на свете! Маленькие и большие, плоские и объёмные, длинные и короткие, ажурные, спиральные и шарообразные. А есть молекулы, которые по форме очень похожи на привычные нам вещи — на футбольный мяч и горшок для цветов, на королевскую корону и египетские пирамиды, на бутерброд и шестерёнку, на подсолнух и даже на собачку.

Это не алмазы. Это обычный сахар. Каждая такая крупинка состоит из двух миллиардов миллиардов молекул сахара

На вашем месте я бы начала терять терпение и незамедлительно поинтересовалась бы: «А они-то, молекулы, из чего сделаны?» Молекулы сделаны из ещё более мелких составляющих — из атомов. Двести пятьдесят лет назад Михаил Васильевич Ломоносов писал, что все вещества состоят из «корпускул» (молекул), которые, в свою очередь, представляют собой «собрания элементов» (атомов). А в начале XIX века англичанин Джон Дальтон догадался, что вещество состоит из атомов с разными массами и атомы объединяются в молекулы — так впервые прозвучало правильное описание материи.

К счастью, элементов, или разновидностей атомов, на Земле не так много — всего 114, пока 114. Возможно, что исследователи со временем найдут и другие элементы. У каждого есть своё имя, свой вес, свой характер, прямо как у человека, и все эти имена вместе со свойствами занесены в одну таблицу, составленную великим русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым более ста сорока лет назад. Для химиков это своего рода святцы, в которые вписаны все человеческие имена. Кстати, многие из этих химических имён вы хорошо знаете: золото, кислород, железо, алюминий... Не правда ли?

Памятник Д.И. Менделееву стоит рядом с его Периодической таблицей, выложенной на стене химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

А ещё химики для собственного удобства придумали короткие обозначения для каждого элемента, состоящие из одной или двух букв. Это как инициалы у человека: вместо того чтобы писать «Александр», мы для краткости пишем просто «А». Так повелось, что эти короткие обозначения происходят от латинских названий элементов, но это никому не причиняет никаких неудобств. Мне кажется, что и вас английскими буквами не удивишь. Итак, многие элементы обозначаются одной буквой, водород — Н, кислород — О, азот — N, углерод — С, а фтор — F. Другие — двумя, отчасти из-за того, чтобы не возникало путаницы, когда первая буква уже использована: гелий — He, неон — Ne, железо — Fe.

Если представить, что дети в хороводе — это атомы, а их соединенные руки — это химические связи, то мы получим художественное изображение молекулы серы, состоящей из восьми атомов

Но вернёмся к самим атомам. Представьте, что у вас есть 114 разновидностей бусинок — разного цвета, разного размера и формы и в любом количестве. Как вы думаете, сколько серёжек и других украшений вы можете собрать из этого богатства, составляя разные сочетания бусинок? Да сколько угодно, бесконечно много! Но вы конечно же будете делать только те украшения, которые вам нравятся и, на ваш взгляд, выглядят симпатично. Таких комбинаций будет значительно меньше, но всё же очень много.

Так и в природе. Элементы, точнее атомы элементов, соединяясь между собой в разных соотношениях, образуют всё гигантское многообразие веществ на Земле. Атомы в молекуле крепко сцепляются, образуя между собой связи, которые химики называют химическими, поэтому большинство молекул чувствуют себя вполне устойчиво и не разваливаются на части. Другое дело, что некоторые атомы не могут соединяться с другими или могут принять в объятия только ограниченное количество товарищей по таблице Менделеева. Здесь природа командует, что ей нравится, а что нет. У неё своё представление о красивых и полезных серёжках. И эти предпочтения природы химики считают для себя законом.

Атомы одного элемента могут соединяться между собой. И тогда мы получаем вещества, которые называют именем элемента, например золото. Такие вещества химики именуют простыми. Если же в одной молекуле встречаются атомы разных элементов, тогда мы получим более сложное вещество, именуемое «соединением». Всё богатство и разнообразие бесчисленного количества веществ, окружающих нас, — это всего лишь комбинации разных атомов, разных элементов. Если два атома кислорода свяжутся вместе, то получится кислород, невидимый газ, который входит в состав воздуха и которым мы дышим и которого нам порой так не хватает в душном городе. Если три атома — то озон, тоже — невидимый газ, который образуется в атмосфере во время грозы. Если же атом кислорода соединится с двумя атомами водорода, то получится самое чудесное вещество на Земле — вода, которую мы пьем. Или вот ещё знаменитая парочка — атом натрия и атом хлора. Связываясь между собой, они образуют то самое белое кристаллическое вещество, которое мы насыпаем в солонку.

Да, я знаю, какой коварный вопрос вертится у вас на языке — из чего же тогда сделаны атомы? Боюсь, что путешествие в глубь вещества выглядит почти бесконечным. Возможно, так оно и есть. Однако про атомы сегодня уже многое известно. Физики утверждают, что атомы тоже имеют структуру. В каждом крошечном атоме есть ещё более мелкие детали: ядро, состоящее из протонов и нейтронов (физики называют их элементарными частицами), вокруг которого, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются другие элементарные частицы, электроны.

Благодаря этой внутренней структуре атомов элементы различаются между собой. Эти же различия позволили химикам занести элементы в таблицу Менделеева в строгом порядке. Ведь не по алфавиту же они расположены и не по датам открытия. Элементы расположены под своими номерами. Причём номер элемента зависит от строения его атома. Например, водород стоит под № 1. Это значит, что в его атоме вокруг ядра вращается всего один электрон. У гелия под № 2 — два электрона, а у кислорода под № 16 — шестнадцать. Количество электронов в атоме элемента — очень важный показатель, от него зависят свойства, характер и поведение элемента. Поэтому грамотный химик, глядя на таблицу Менделеева, может точно сказать, атомы каких элементов могут образовать химическую связь, какие атомы, объединяясь, образуют слиток металла, а какие — газ.

Получается, что вся материя во Вселенной, включая Землю и всё, что на ней, собрана всего лишь из трёх видов элементарных частиц — нейтронов, протонов и электронов. Разве это не поразительно?

Нет, нет, только не спрашивайте, из чего сделаны протоны, нейтроны и электроны! Вопрос, конечно, хороший, спору нет. И физики по этому поводу начнут рассказывать о кварках, из которых сложены протоны и нейтроны, об их «аромате», «цвете» и других свойствах, о том, что кварки, в свою очередь... Тут мы остановимся, тем более что в глубине материи ещё много неясного. Наш чудный мир не познан до конца, и ответ на многие нерешённые пока вопросы, вполне возможно, найдёте вы, когда станете взрослыми и посвятите себя науке.

Я чувствую, как в вас закрадывается сомнение. Если эти молекулы, атомы и элементарные частицы столь малы, что их невозможно увидеть, то почему мы так уверенно говорим об их существовании? Может, и нет их вовсе?

Действительно, размеры атома ничтожны. И до последнего времени не было такого микроскопа, который позволял бы их рассмотреть. Но это не значит, что нельзя убедиться в существовании атомов и элементарных частиц.

Представьте, что у вас в доме завелась мышка. Её не видно, но вы точно знаете, что она есть: кусочек сыра, оставленный на столе, ночью куда-то исчезает, в доме появляются мышкины следы, а по ночам слышится какой-то шорох. Значит, мышка есть, хотя её и не видать. Такой вывод мы сделали, как скажут учёные, на основании косвенных наблюдений. Или вот летит по небу самолет. Высоко-высоко, его и не видно совсем, и шума моторов не слышно. Зато отчётливо виден белый след, который он оставляет на небе после себя. Учёные называют его инверсионным следом.

Вещества умеют оставлять красивые следы. Например, марганцовка (на языке химиков — перманганат калия), растворяющаяся в воде

Ну что ж, это отличная идея — узнать о существовании частиц по их следам. Этот подход использовал шотландский физик Чарльз Вильсон, когда в начале XX века создал замечательную камеру Вильсона. Прозрачная камера содержит перенасыщенный водяной пар. Такому пару достаточно малейшего вмешательства, чтобы составляющие его молекулы воды, парящие в воздухе, начали собираться вместе и образовывать капельки воды, видимые глазу. Этот процесс называется «конденсация», и вы часто его наблюдаете, когда запотевают окна в машине или утром после холодной ночи выпадает роса на траве и цветах. И кстати, именно так образуется след от самолета в небе. Конденсацию паров воды вызывают частички не полностью сгоревшего топлива, вылетающие из двигателя. Поэтому инверсионный след часто называют ещё и конденсационным.

Вот в такую камеру влетает элементарная частица, электрон или протон, которую физики предварительно сильно разгоняют на специальных ускорителях элементарных частиц — циклотронах. В мгновение ока частица проходит камеру насквозь и оставляет после себя конденсационный след, состоящий из капелек воды. Этот след, который физики называют треком, не исчезает сразу же, поэтому у исследователей есть время, чтобы сфотографировать его. Удивительно красивые получаются фотографии. Физики не просто разглядывают их, а читают как книгу о жизни элементарных частиц и о тех событиях, которые происходят при их столкновении в камере Вильсона.

С помощью косвенных методов можно доказать и существование невидимых молекул. Шотландский ботаник Роберт Броун почти 200 лет назад заметил нечто необычное. Если крошечные частицы цветочной пыльцы поместить в воду и понаблюдать за ними в микроскоп, то будет видно, что пылинки не стоят на месте, а всё время совершают беспорядочные прыжки. Это непрерывное запутанное блуждание частиц в объёме жидкости было названо в честь первооткрывателя броуновским движением.

Но ведь эти частицы неживые, они не могут двигаться сами по себе, значит, кто-то их толкает с разных сторон и весьма сильно. Кто бы это мог быть? Спустя почти 80 лет, в 1905 году, Альберт Эйнштейн, один из величайших учёных двадцатого века, предположил, что толкают частички молекулы жидкости, которые, в свою очередь, тоже находятся в непрерывном движении. Их очень много, они налетают на частичку с разных сторон, и если вдруг в какой-то момент молекулы с одной стороны «зазеваются», а с другой ударят посильнее, то частичка сдвинется с места и пролетит некоторое расстояние.

Все это Альберт Эйнштейн изложил в его знаменитой научной статье о броуновском движении. Он даже теоретически подсчитал и предсказал, насколько должны смещаться пылинки в жидкости, если исходить из того, что их толкают молекулы.

Впрочем, всё это было только предположением, теорией, и сам Эйнштейн сомневался, что кому-нибудь удастся проверить её экспериментально. Однако такой человек нашёлся. Французский физик Жан Батист Перрен в 1908-1913 годах сумел поставить тончайший эксперимент: он проследил путь тысяч частичек в жидкости и измерил их смещения. Результаты полностью соответствовали предсказаниям Эйнштейна, молекулярная теория восторжествовала, а сам Жан Батист Перрен за свои труды был удостоен в 1926 году высшей научной награды — Нобелевской премии по физике.

Элементарные частицы, стремительно пролетающие через специальные камеры, тоже оставляют следы. Их внимательно изучают физики, чтобы узнать все о жизни и взаимодействии этих крошечных частиц материи

Ещё один, но куда более совершенный метод, позволяющий увидеть молекулу, появился в 30-х годах прошлого века. Это был электронный микроскоп. Его создатели, немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска в 1931 году случайно заметили, что если поток электронов проходит сквозь тончайший слой вещества и попадает на чувствительный экран, то на этом экране можно увидеть тени составляющих его молекул. Вот вам ещё одно доказательство существования молекул. Вы можете поглядеть на первый российский электронный микроскоп, если не поленитесь и сходите в Политехнический музей в Москве, где он выставлен на всеобщее обозрение.

Сегодня прогресс науки и техники достиг таких невероятных высот. что появились приборы, позволяющие увидеть атомы! Это — сканирующие зондовые микроскопы, первую модель которых изобрели Герд Бинниг и Генрих Рорер в 1981 году. А в 1986-м за это изобретение, позволяющее исследователям заглянуть в самую глубь материи, им была присуждена Нобелевская премия по физике. И компанию им составил Эрнст Руска. Долго же ему пришлось ждать этой награды, целых 55 лет, но справедливость всё-таки восторжествовала.

В этом микроскопе нового поколения тончайшая игла, заостренная со одного атома, как будто ощупывает поверхность вещества или материала и передаёт его изображение на экран. Так впервые удалось рассмотреть атомы золота на золотой пластинке, которые, как и предполагали химики, расположены плотными рядами, шарик к шарику. А ещё удалось рассмотреть самую главную молекулу жизни — молекулу ДНК, на которой записана вся наследственная информация и которая управляет всеми процессами, происходящими в нашем организме. Так учёные воочию убедились, что молекула ДНК выглядит как длинная цепочка, точнее — как спираль.

Ну что ж, кажется, пора остановиться. Ведь главное мы уже поняли. Всё вокруг нас, включая нас самих, сделано из веществ, вещества — из атомов, атомы — из элементарных частиц. А вот откуда взялись все эти элементарные частицы, из которых сделаны атомы, из которых сделаны вещества, из которых сделано всё, включая нас самих?