Химия – это наука, которая изучает, как под действием электромагнитных сил формируются молекулы и как строятся и перестраиваются соединения атомов, образуя все калейдоскопическое многообразие веществ в нашем мире.
Химические союзы. Как соединяются атомы
Атомы очень малы. Миллион атомов углерода можно уместить в точке в конце этого предложения. Но неправильно представлять себе их как сплошные шарики материи. Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре каждого из них есть крошечное ядро из протонов (с положительным зарядом) и нейтронов (без заряда), связанных сильным ядерным взаимодействием. Остальная часть атома почти пуста. По орбитам вокруг ядра на огромных расстояниях от него обращаются облака электронов, приблизительно по одному на каждый протон в ядре. В начале XX века Эрнест Резерфорд, один из пионеров современной ядерной физики, сказал, что ядро атома – это «муха в соборе».
Предложенный Резерфордом масштаб примерно соответствует действительности, но ученый писал до того, как появилась современная квантовая физика, которая показала, что его метафора в то же время обманчива. Электроны имеют микроскопический размер, по массе составляя около 1/1836 протона. Квантовая физика говорит о том, что скорость или положение электрона точно установить невозможно. Можно сказать, где, вероятно, находится электрон, но никогда нельзя сказать, где он в точности, потому что любая попытка определить его положение неизбежно потребует энергии (представьте, что светите на него фонариком), а электроны настолько легкие, что она изменит их скорость или траекторию. Поэтому квантовые физики изображают обращающиеся по орбите электроны в виде своеобразного «облака вероятностей», которое уплотняется на одних расстояниях от ядра и истончается на других. Облако вероятностей пронизывает бóльшую часть атомарного собора и может просочиться за его стены[41].
Вся суть химии – в тех союзах и борьбе, которые возникают в этих облаках вероятностей. Здесь много чего происходит. Между протонами и электронами образуются и рвутся связи, они оставляют старые узы и начинают новые отношения, а в результате возникают совершенно новые формы материи. В основе всего этого лежит тот простой факт, что у электронов отрицательные заряды, которые отталкиваются друг от друга, но притягиваются к положительным зарядам протонов либо в своем, либо в соседних атомах. Химики исследуют флирт, соперничество, связи и напряжение, которые возникают, когда электроны, уцепившись за соседний атом, образуют молекулы, где несколько, а иногда миллионы или даже миллиарды атомов объединяются в структуры более сложные, чем сложнейшие из звезд. В зависимости от строения у молекулы возникают собственные новые свойства, поэтому возможности химии кажутся безграничными. И все же в химическом флирте действуют свои правила (иногда не менее странные, чем в человеческом), в соответствии с которыми электромагнитная сила формирует химически сложные сущности.
На первых ролях здесь электроны. Как и ловеласы в мире людей, они непредсказуемы, ветрены и всегда открыты для более интересных предложений. Они носятся вокруг протонов по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем. Электроны при любой возможности стремятся попасть на орбиту поближе к атомному ядру, где энергии нужно меньше всего. Но количество мест на каждой из них ограниченно, и, если на внутренних орбитах все занято, приходится искать место на внешней. Если электронов на ней ровно столько, сколько нужно, все счастливы. Это положение дел свойственно так называемым благородным газам, например гелию или аргону, располагающимся в периодической таблице справа. Они не соединяются с другими атомами, потому что их более-менее устраивает текущее положение дел.
Но если внешние орбиты атома не заполнены, возникают неловкость, напряжение и проблемы, и все это порождает бесконечную сутолоку в борьбе за место, которой обусловлена существенная часть химических процессов. Некоторые электроны-перебежчики уходят в соседние атомы. При этом атом, который они покидают, теряет отрицательный заряд и может соединиться с атомом, у которого есть лишний электрон, образуя ионную связь. Так из атомов натрия, внешний электрон которого обычно готов соскочить, и хлора, который все время ищет лишний электрон, чтобы заполнить свою внешнюю орбиту, получается поваренная соль. Бывает, что электроны лучше всего чувствуют себя, обращаясь вокруг двух ядер, так что те успешно делят между собой их заряд в ковалентной связи. Такой связью соединяются атомы водорода и кислорода, когда образуют молекулы воды. Но молекула при этом получается кривобокая, в ней два маленьких атома водорода привязаны к более крупному атому кислорода с одной стороны. При такой странной форме отрицательные и положительные заряды распределяются по поверхности молекулы неравномерно, это сбивает атомы водорода с толку, и их нередко привлекают к себе атомы кислорода из соседних молекул. Благодаря этому притяжению молекулы воды способны, пользуясь слабыми водородными связями, слипаться в капли. Водородные связи играют важнейшую роль в химии жизни, потому что ими в большой степени определяется поведение генетических молекул, например ДНК. В металлах электроны ведут себя совершенно иначе. Они большими толпами курсируют между их ядрами, поэтому металлы так хорошо проводят электрический ток – ведь это не что иное, как огромный поток электронов.
41