|
Разумеется, это не мое
изобретение, а заимствованное у специалистов-химиков, но оно мне больше всего
понравилось, ибо наталкивает на единообразие мышления.
Итак, химия - наука о строении и превращениях
веществ. Зародилась она много тысяч лет назад: еще жрецам Древнего
Египта были известны способы получения многих полезных веществ из веществ
менее полезных. В те незапамятные времена люди мало знали, но довольно многое
умели. Умение от понимания было отделено глубокой пропастью. Как впрочем и
сейчас саму химию разделили такой же пропастью на органическую и неорганическую.
И если бы не были открыты порфирины - мостики через эту пропасть, - то нельзя
было бы доказать, что нет резкой грани между неживой и живой материей, о чем
всегда, кстати, говорил академик В.И. Вернадский.
Число веществ, известных сейчас науке, грандиозно.
Миллионы химических соединений иногда со звучными, иногда с
неудобопроизносимыми названиями заполняют страницы современных химических
справочников. Но атомов в природе всего сто с небольшим. Законы физики
запрещают сколь-нибудь длительное существование элементов с номерами,
превышающими, например, 120. Итак, сто сортов атомов - и миллионы различных
веществ.
Почему такое возможно? Какие свойства атомов позволяют
создавать новые и новые химические соединения с самыми различными свойствами?
В 1647 году Пьер Гассенди издал книгу, в которой
убедительно показал, каким образом из небольшого числа атомов могут
получаться миллионы разнообразных веществ. Подобно тому, как из трех
материалов - кирпичей, досок и бревен - можно построить огромное число
разнообразных домов, так из нескольких десятков атомов могут создаваться
тысячи тысяч химических веществ. При этом, по Гассенди, в каждом теле
различные атомы соединяются в небольшие группы. Эти группы Гассенди назвал
молекулами, что в переводе с латинского звучит примерно как
"массочка". Название удачное: масса молекул действительно мала.
Существование молекул долгое время было гипотезой.
Еще век назад находились ученые, авторитетно заявлявшие, что в середине XX
века упоминание о молекулах можно будет встретить лишь в покрытых пылью
книгах. Однако в первом десятилетии XX века были поставлены решающие опыты,
которые доказали существование молекул; в наши дни некоторые молекулы даже
видны на экранах электронных микроскопов. %
И все же еще рано говорить о том, что все уже ясно ученым
и пора здесь поставить точку. К сожалению, это далеко не так, даже теперь, в
1995 году, спустя 348 лет после первого упоминания о молекулах. Они все еще
преподносят ученым сюрпризы. И хотя школьники сегодня свободно оперируют этим
термином и не менее свободно пишут уравнения реакций между молекулами,
понятие молекулы далеко не так просто, как кажется.
Возьмите кристаллик обычной поваренной соли (натрий хлор).
Много усилий потратили химики, прежде чем установили, что в этом непременном
компоненте нашей трапезы содержится поровну атомов натрия - активного металла
- и хлора - столь же активного неметалла. Оба эти элемента губительны для
здоровья человека, но, объединившись друг с другом в хлористый натрий, то
есть в поваренную соль, становятся абсолютно необходимыми для организма.
Неспроста дорогих гостей встречают с "хлебом-солью".
И вот давайте зададим на первый взгляд довольно наивный
вопрос: из чего построены кристаллы хлористого натрия?
Как будто естественно предположить, что пара атомов -
натрий и хлор - образуют молекулу поваренной соли. В самом деле, во многих
учебниках химии вы можете увидеть рисунок, на котором изображены два
касающихся друг друга шарика. Один шарик - атом натрия, другой - атом хлора,
вместе - молекула натрий-хлор.
Так вот этот рисунок - ошибка. Молекулы натрий-хлор не
существует!
Рисунок в искаженной форме передает тот несомненный факт,
что в состав поваренной соли всегда входит равное количество атомов натрия и
хлора. Наименьшей единицей состава поваренной соли является пара атомов
натрия и хлора. Но никакая пара атомов внутри любого кристаллика соли не
образует физической отдельности, молекулы. Рентгеновское исследование
кристалла хлористого натрия показывает, что у каждого атома хлора имеется
шесть совершенно равноправных соседа - атомов натрия. А каждый атом натрия
окружен шестью совершенно одинаково с ним взаимодействующими атомами хлора.
Но ни одна пара натрий - хлор физически никак не обособлена, значит, в
кристалле поваренной соли молекул натрий-хлор нет. Они существуют лишь
формально - как мельчайшие порции состава.
А что происходит когда мы солим воду? Может быть, в
растворе существуют молекулы соли - прочно связанные между собой пары атомов
натрий и хлор? Нет. В растворе находятся ионы натрия и хлора, а обособленной
пары натрий-хлор опять-таки не обнаруживается.
Так, может, критики молекулярной теории правы? Может быть
молекул вообще не существует?
Давайте разберемся, нет ли противоречия между
утверждениями о несомненной реальности молекул и нашими "нападками"
на молекулу поваренной соли.
Молекулы, конечно, существуют, но они редкость в мире
неорганических кристаллов и в растворах неорганических веществ. Их вотчина -
элементарные газы и органические соединения.
Всем известен "сухой" лед - твердая
углекислота С02. (Вспомним, что это - также и составляющая комет).
Результаты исследования строения кристаллов углекислоты разительно отличаются
от того, что мы уже знаем о поваренной соли. Оказывается, молекулы С02 очень
легко "узнать" в кристалле. Центры трех атомов этой молекулы
расположены на одной прямой, расстояние между атомами С и О внутри молекулы
равно 1,3 ангстрема, а соответствующее ра- стояние между атомами,
принадлежащими разным молекулам, почти три ангстрема. Различие в расстояниях
очень важный факт. Ведь расстояние между атомами показывает, насколько сильно
они притягиваются друг к другу. (Раз вода, углекислота и аммиак составляющие
комет, то они, родившись в просторах Вселенной, были
"зафиксированы", словно фотографические снимки, силовыми полями
космоса). Сильно притягиваются, сильнее связаны - расстояние меньше.
Притяжение слабее - атомы друг от друга отдалились. Присмотримся к любому
атому кислорода в кристалле С02. С атомом углерода "своей" молекулы
этот атом связан несравненно прочнее, чем с атомом углерода соседних,
"чужих" молекул.
Здесь мы, наконец, видим совпадение формального
"элемента состава" С02 с реально существующей физической
отдельностью - молекулой С02.
Кроме того, какое бы органическое вещество мы не
рассматривали, можно обнаружить реально существующие, устойчивые, дол-
гоживущие молекулы. Именно благодаря тому, что они могут существовать, и
зародилась на Земле жизнь.
Подведем итоги. Бесконечное разнообразие свойств
химических соединений объясняется тем, что 100 сортов атомов по воле
природы (и человека) могут сочетаться в самые причудливые комбинации. Однако
одни атомы (например, натрий и хлор), образуя химическое соединение, не
проявляют склонности к, так сказать, "семейной" жизни, они образуют
"толпу", их молекулы существуют лишь условно как формальные единицы
состава вещества. Другие же атомы (например, С и О, С и Н) проявляют явно
выраженную склонность к образованию замкнутых ячеек, четко разделяющихся
групп, состав которых в точности соответствует составу вещества. Такие мельчайшие
замкнутые атомные постройки, каждая из которых имеет свойства слагаемого ими
вещества, мы и называем молекулами.
Тогда, естественно, возникает вопрос: какие силы действуют
между атомами в кристалле поваренной соли и в молекуле углекислоты? И вообще,
какие силы заставляют атомы связываться в молекулы?
Вот тут-то и надо напомнить о "вечных странниках
Вселенной" - протонах. В них есть то начало жизни вообще, которое и
приводит все в гармонию.
Вспомним, что в воде есть мицеллы (рои) структурированных
молекул, а также и диссоциирующие молекулы воды.
|