eng
Содержание
Содержание
Предисловие .......................................................................................... 7
Благодарности ....................................................................................... 9
Предостережения ................................................................................ 10
Глава 1. Из чего все таки вещество сделано? .............................. 11
От большого взрыва до матрешек ............................................ 11
Орбиты и орбитали – это не одно и то же!............................ 14
Анекдоты по поводу пламени ................................................... 16
Руки, составы и моли: что это за бессмыслица? ................... 17
Викторина ..................................................................................... 19
Непрекращающаяся партия в молекулярный бильярд ......... 21
Глава 2. О странной материи, как это странно… ........................ 25
Замораживаем здесь .................................................................... 25
Жидкости, которые кипят от нетерпения ............................... 29
Викторина ..................................................................................... 30
Сталактиты в миниатюре ........................................................... 30
Фокусник вынет дюжину больших мячей
из простого маленького термоса............................................... 31
Все похожие собираются! ........................................................... 33
Катализаторы, похожие на спрутов ......................................... 33
Химический гейзер ..................................................................... 35
Маг красоты ................................................................................. 36
Химия невидимости .................................................................... 38
Пойманная жидкость .................................................................. 39
Левитация: да, это возможно! ................................................... 39
Жидкость, которая «навострила лыжи» .................................. 40
Глава 3. Когда ваш мотор делает «Бум» ........................................ 42
Дирижабль из преисподней ....................................................... 42
Вспышки с серебряным звоном ............................................... 43
Я могу видеть даже себя внутри ............................................... 44
Растертый кирпич для Ролан Гаррос ...................................... 45
Берлинская лазурь или турнбулева синь? ............................... 47
Викторина ..................................................................................... 48
Стойкий запах былого из медицинских кабинетов .............. 49
Минеральный морской еж ......................................................... 49
Патриотические цвета ................................................................ 50
Возврат к исходному ................................................................... 51
Еще сильнее: осциллирующие химические реакции ............ 53
Тайна голубой бутылки .............................................................. 56
Колебания больше не временные, а пространственные!
Полосы Лизеганга ....................................................................... 57
Радуга в томатном соке .............................................................. 58
Магические порошки.................................................................. 58
Глава 4. Все это вопрос энергии .................................................... 60
Ай, это горячо! ............................................................................. 60
Викторина ..................................................................................... 61
Бррр! Здесь холодно! ................................................................... 63
Викторина ..................................................................................... 64
Туманный лимонад ..................................................................... 65
Освещенный алхимик ................................................................. 66
Да будет свет! ................................................................................ 67
Камуфляж типа «хамелеон» для военных ............................... 69
Автомобиль, который меняет свой цвет на солнце! ............. 70
Кристаллы, которые мерцают ................................................... 71
Ультразвук, микроволны и взрывы .......................................... 72
Солнце в бочонках? .................................................................... 73
Топливо и Солнце ....................................................................... 74
Биение сердца из ртути .............................................................. 77
Глава 5. Осуществимость химических реакций ........................... 80
Никто не любит противоречий ................................................. 80
Химические таймеры .................................................................. 83
На ярмарке: автородео ................................................................ 85
Глава 6. Шоу магической химии .................................................... 88
Плакат «Добро пожаловать: симпатические чернила» ......... 88
Цвета артачатся ............................................................................ 89
Но откуда все таки выпущен блестящий пар ........................ 91
Как вонзить гвоздь в дерево с помощью банана ................... 91
Деньги не имеют запаха, сажа еще меньше ........................... 92
Зажечь свечу кусочком льда и потушить ее
невидимой жидкостью ................................................................ 92
Химический вулкан..................................................................... 93
Причина, по которой углеводы когда то назывались
гидратами углерода ...................................................................... 94
Волоконце Нейлона, пришедшее из ниоткуда ...................... 95
Другие сеансы магической химии и конец шоу .................... 97
Содержание 5
Глава 7. Химические игрушки ........................................................ 99
Пьющая утка ................................................................................ 99
Слим®, магический гель............................................................ 99
Еще немного магии: палочки, бутылка и песок… ............... 101
Нитинол или металл, обладающий памятью........................ 102
Предметы, которые подскакивают, мыльные пузыри
и змеи фараона .......................................................................... 102
Глава 8. Молекулы, которые играют, и другие обаятельные
молекулярные структуры ............................................................... 104
Необыкновенные игрушки! ..................................................... 104
Викторина ................................................................................... 106
Бульвален, молекула в вечном становлении ........................ 108
Платонический углеводород и другие
странные молекулы ................................................................... 109
Викторина ................................................................................... 112
Родственные связи между некоторыми молекулами .......... 114
Викторина ................................................................................... 118
Глава 9. Викторины, фокусы и странности
в химической коннотации ............................................................. 120
Игры в вопросах и ответах ...................................................... 120
Викторина ................................................................................... 120
Ужасающая номенклатура ....................................................... 123
Понятие резонанса .................................................................... 124
Странные основания! ................................................................ 126
Викторина ................................................................................... 127
Необыкновенный циклогексан ............................................... 128
Абсолютная конфигурация углерода ..................................... 131
Молекулярные листы Мебиуса ............................................... 133
Дао химии ................................................................................... 135
Шерлок Холмс, Эркюль Пуаро и другие .............................. 137
Глава 10. Химическое мясное рагу ............................................. 142
Серендипиты .............................................................................. 142
Диалоги, сценарии, истории
и другие живописные аналоги ................................................ 143
Химические пазлы, Диньбаты® и кроссворды.................... 143
Глава 11. Чувствительные молекулы: необычайные аспекты
молекулярной гастрономии ........................................................... 150
Пятый фундаментальный вкус................................................ 150
Викторина ................................................................................... 152
От кисло-сладкого в столовом шпорце, проходя
через горечь тонизированных сод .......................................... 155
Приготовление пищи, или как создать новые
молекулы вкуса .......................................................................... 156
Мировое турне в виртуальном гастрономическом меню ...... 157
Викторина ................................................................................... 160
Глоссарий .......................................................................................... 161
Предисловие
Неоспоримо, что в химии, как и в других экспериментальных
науках, легче принять абстрактные понятия, когда они произносятся для описания конкретных наблюдений1. Вот почему примем абсолютную необходимость исполнять во время основного
изложения химические демонстрации, которые иллюстрируют
описанные феномены и законы, которые при этом действуют.
Все преподаватели должны приложить усилия для того, чтобы
дать студентам больше возможности реализовать удивительные
вещи, то есть немного «магические» потому, что это требует объяснений, которые поощряют изучать химию с энтузиазмом и эффективностью.
Каждый из нас любит магию, но студенты поначалу не очень
любят химию, без сомнения потому, что эта наука им кажется
слишком загадочной. С этого момента, «Магия» может стать весьма полезной, как эффективный инструмент для того, чтобы мотивировать изучение химии. Идея здесь – более точно представить различные демонстрационные опыты не как сеансы магии в
полном смысле этого слова, которые имеют характер практически необъяснимый, а, скорее всего, как примеры того, что химики могут сделать, благодаря знаниям о химических реакциях и
свойствах, которыми они обладают. Возможная цель, таким образом, показать и объяснить химические понятия через наглядные опыты или, как говорят в США, «зачаровывающие» и, конечно, не заставить верить в миф, что химия есть наука мистическая и покрытая мраком. Любопытство студента, который видит или, в идеале, сам осуществляет такие эксперименты, будет
от этого усиливаться, что означает много лучшее восприятие различных концепций.
Идея представить химию в увлекательной форме и вызвать
интерес к этой науке, подать ее наглядно имела явный успех среди студентов и специалистов. В этой связи необходимо подчеркнуть новаторские работы профессора Уберта Н. Алеа (Принстон
ский Университет) который без сомнения был «родоначальником»
такого подхода, так же как и публикации профессоров Жоржа Л.
Гилберта (Университет Денисон, штат Огайо) и Вассама З. Шак
1 Некоторые дополнительные сведения, или другой хорошо реализуемый
опыт, приводится в указательном виде. Лектор может, если хочет, получить информацию о своем сюжете в библиографии на сайте www.dunod.com.
8 Предисловие
хашири (Университет штата Висконсин). Очень много книг, посвященных этой тематике, было опубликовано в США и Канаде.
С недавнего времени в свободной продаже имеются химические
наборы, позволяющие легко реализовать при полной безопасности наиболее зрелищные демонстрации химических опытов (люминесценцию, осциллирующие реакции и т.п.). В некоторых музеях, таких как Научный Музей института им. Франклина в
Филадельфии, Музей науки и техники в Чикаго, Немецкий Музей в Мюнхене – и, конечно, в Париже в Музее Открытий, созданном в 1937 году Жаном Пера – Нобелевская премия по физике 1926 года – публика может свободно присутствовать на
демонстрациях подобного рода. Различные американские университеты имеют в своем распоряжении, кроме всего прочего, гигантские фургоны, настоящие передвижные лаборатории, которые бороздят страну для того, чтобы возбудить в молодежи интерес к
химии.
Цель этой книги иллюстрировать наиболее фундаментальные понятия посредством опытов, забавных историй и других
интеллектуальных развлечений, дабы придать им привлекательность. Автор этих строк преподает химию (общую, органическую и фармацевтическую) в Луванском католическом Университете (УКЛ Брюссель) больше тридцати лет и, в частности,
полностью себя посвятил упражнениям и практическим работам, связанным с этой дисциплиной. Это продукт его опыта,
внимательного отслеживания литературы и многочисленных
контактов с североамериканскими университетами, беспокоящимися об оценивании химии, которая вам тут преподнесена, в
свете неофитов. Бесспорно, любознательность есть ключ к знаниям и к успеху.
Поль Деповер,
профессор Луванского католического университета (УКЛ-Брюссель),
приглашенный профессор Университета Лаваль (Квебек)
Благодарности
Автор благодарит госпожу Мишель Паризи и госпожу Жозиан
Жореман, а также господ Клода дэ Мэйер, Уолтера Хаддерса и
Альфонса Брамса за их значительный вклад в осуществление иконографии. Он высоко оценивает занимательные иллюстрации,
выполненные Рашидом Мараи, которые очень хорошо сочетаются с философией книги. И наконец, он находит необходимым
выразить всю свою признательность господину Лоран Бертон за
его громадную помощь в конкретизации этого издания.
Предостережения
Химические эксперименты вынуждают обращаться с веществами, которые могут представлять некоторую опасность: возгорание, порча одежды, взрыв и т.д. Достаточно маститые химики
С.В. Шелль, Ж. Пристли, П.Л. Дюлонг и другие были жертвами
несчастных случаев, иногда смертельных. Риск, таким образом,
вполне реальный. Ввиду этого, а также токсичности большей части химических веществ, преподаватель призван скрупулезно следовать требованиям безопасности там, где он находится: носить
лабораторный халат, защитные очки и перчатки, работать в вытяжном шкафу и т.д. Проверка этикеток на флаконах, содержащих вышеупомянутые химические вещества и особое внимание
к предупреждающим об опасности пиктограммам так же, как к
значению номеров относительно характера риска (от R1 до R68)
и к советам об осторожности (от S1 до S64): никогда не игнорируйте это.
Значение Символ Значение Символ
Токсично Окислитель
(Т) (O)
Раздражающее Коррозийная
(Xi) опасность
или вредное (C)
(Xn)
Легко воспла Взрывоопасно
меняемое (E)
(F)
ГЛАВА 1
ИЗ ЧЕГО ВСЕ ТАКИ
ВЕЩЕСТВО СДЕЛАНО?
От большого взрыва до матрешек
Вещество появилось из пустоты около 15 миллиардов лет назад после
взрыва сверхплотной, сжатой в точку массы. Такова современная
формулировка «гипотезы первоначального атома», придуманная в
1931 году известным астрофизиком профессором Луванского университета (УКЛ) Жоржем Лемэтром. Его английский коллега Фрэд
Хойл с сарказмом1 именовал этот взрыв «создателем колоссальной
энергии», «Большим взрывом». Теория «Большого взрыва», справедливость которой впоследствии была доказана, имеет в своем следствии расширение вселенной, названное еще разбеганием галактик. «Большой взрыв» позволил образоваться звездам и реализовать
в их недрах ядерный синтез – то, что и объясняет их излучение.
В настоящее время принято считать, что к концу их жизни, это
означает после синтеза наиболее тяжелых атомных ядер, некоторые
звезды в зависимости от типа взрывного процесса (сверхновые) наполняют межзвездное пространство указанными ядрами до того,
как разрушить самих себя. Множество этих ядер с соответствующим количеством электронов тогда то преобразовалось с формированием различных типов атомов, которые и образуют нашу планету.
В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное. Наиболее часто, веще
ства существуют в виде смесей многих составляющих в различных
пропорциях (пример: песок, воздух). Эти смеси могут быть однородными (пример: нашатырный спирт, то есть раствор газа аммиака в воде) или неоднородными (пример: золотоносные пески) в
соответствии с тем, что в неоднородных смесях различимы частицы
разных веществ, а в однородных – нет. Различные физические
1 На английском языке фраза «Big Bang» звучит иронично, как «Большой
Бзынь (Бац и т.п.)». – Прим. пер.
12 Глава 1. Из чего все таки вещество сделано?
методы позволяют разделить составляющие элементы, содержащиеся в смеси: так можно отделить золото от золотоносного песка с
помощью дробилки или получить пресную воду из соленой морской воды посредством дистилляции. Эти составляющие элементы,
называемые в этом случае чистыми веществами, остаются идентичными самим себе при теоретической попытке их разделения (пример: золото, вода, аммиак). Они образованы из частиц одного типа,
которые называются молекулами. Таким образом, молекула является самым маленьким количеством некоторого чистого вещества,
способного существовать в свободном состоянии, то есть сохранять
свои свойства (например: Н2О молекула воды, NН3 молекула аммиака). Молекулы, как это показано в двух вышеприведенных примерах, являются результатом объединения атомов. Если молекулы
одного чистого вещества состоят из разных атомов, то говорят, что
оно сложное (или составное). Каждое сложное вещество обязательно может быть «разложено» на свои составляющие с помощью определенных процессов (например: молекула воды Н2О может быть
разделена с помощью гидролиза на молекулы водорода Н2 и кислорода О2). Молекулы (Н2 и О2), состоят из атомов одного типа (соответственно Н и О), которые являются простыми химическими эле
ментами. Эти элементарные атомы или химические элементы,
характеризуются своим порядковым атомным номером Z, который
представляет собой номер ячейки, в которой они находятся, в так
называемой периодической системе химических элементов. Эта периодическая классификация химических элементов была создана
1 марта 1869 года русским ученым Дмитрием Менделеевым и является пионерским достижением в химии. Некоторые мнемонические
фразы, в основном на английском языке, позволяют легко запомнить содержание различных ее периодов (Их прямой перевод на русский язык, естественно, не позволяет запомнить таблицу Менделеева. – Прим. пер.). На русском языке можно предложить, например,
для второго периода таблицы Менделеева, следующую фразу:
Лишний Был Билет У Анны Кланяться Фоме Не надо
Литий Бор Бериллий Углерод Азот Кислород Фтор Неон
В действительности, каждый атом состоит из тяжелого ядра,
практически определяющего полную массу всего атома и очень
легких электронов, которые вращаются вокруг ядра на относительно большом расстоянии по сравнению с радиусом самого
ядра. Атом с порядковым номером Z содержит Z электронов.
Каждый из электронов имеет электрический заряд –1. Соответствующее ядро состоит из нуклонов: Z протонов (эл. заряд +1) и
От большого взрыва до матрешек 13
А – Z нейтронов (заряд 0), А – является массовым числом (атомной массой). После этого было установлено, что нуклоны сами
состоят из тройки кварков типов u (верх) и d (низ), которые являются носителями частичных зарядов (u – +2/3, d – –1/3).
Протон состоит из трех кварков в обязательном сочетании
uud, в то время как нейтрон есть результат сборки udd. До сегодняшнего дня предполагали, что эти кварки являются наиболее
мелкими частицами материи. Однако многие исследователи думают, что есть высокая вероятность того, что кварки состоят из
еще более мелких частиц прокварков (преоны, ришоны, и т.п).
Есть ли конец этой серии матрешек?
Русские куклы – матрешки – в действительности есть ряд раскрашенных полых деревянных кукол, вкладывающихся одна в другую
Вещество
Молекулы
Атомы
Электрон(ы) Ядро
Протон (ы) Нейтрон (ы)
Кварки
Прокварки (преоны, ришоны, и т.п.)
14 Глава 1. Из чего все таки вещество сделано?
Орбиты и орбитали –
это не одно и то же!
Атомарная модель Бора описывает атомы как миниатюрные планетарные системы: предполагается, что электроны вращаются
вокруг ядра по некоторым хорошо определенным орбитам. Волновая механика очень быстро заменила это неадекватное представление моделью с волновой функцией еще называемой волновой областью: 1s, 2s, 2p, и т.д. (см. уравнение Шредингера,
которое рассматривается в более специализированных работах).
Это успешное представление электронов отвечает правилу Маделунга. На электронных облаках (орбиталях) траектория электронов точно не известна (см. Принцип неопределенности Хейзенберга).
Внимательное изучение приведенной выше муаровой картинки позволяет за счет обмана зрения представить себе одновременное и случайное движение электронов внутри разных атомных орбиталей. Эти электроны, с другой стороны, представляют
одно интересное свойство: они выдают сами себя! Действительно, когда некоторые типы атомов разогреваются в пламени Орбиты и орбитали – это не одно и то же! 15
релки Бюнсена, тот или иной электрон возбуждается и переходит
на более высокий энергетический уровень. Последующий возврат, опускающий электрон до его базового уровня, сопровождается выбросом энергии, которая была поглощена, и это иногда
проявляется в виде видимого света. Такой «тест пламени» применяется в аналитической химии для того, чтобы идентифицировать химические элементы. Фейерверк есть не что иное, как применение этого принципа в широком масштабе.
Марка США выпущенная в 1963 году, изображающая фейверк
Эти «тесты пламени» наиболее часто выполняются с помощью платиновой нити, которую погружают в концентрированную соляную кислоту и затем в анализируемое вещество. Вот,
для примера, некоторые наблюдаемые типичные цвета:
– литий (Li) красно-карминовый;
– натрий (Na), желтый, не видимый на голубом стекле из
кобальта;
– калий (K), голубой лавандовый, но пурпурно-красный на
голубом стекле из кобальта;
– барий (Ba), яблочн-зеленый;
– кальций (Ca), оранжево-красный;
– стронций (Sr), кремовый.
16 Глава 1. Из чего все-таки вещество сделано?
Такие тесты могут также реализовываться с помощью бумажных полосок, пропитанных анализируемым веществом, наблюдаться с помощью спрея или баллончика с водородом. Были
описаны и другие варианты, требующие иногда дополнительных
приготовлений.
Анекдоты по поводу пламени
Известный физик и химик Р.В. Вуд из университета Джон Хопкинс, в Балтиморе рассказывал, что когда он был студентом в
Германии, он только что обнаружил, что суп, который ему подали, был приготовлен из костей курицы, которую он уже ел раньше. Он взял платиновую проволоку, окунул в свой суп и поместил в пламя спиртовки: появился красный карминовый цвет,
характеристика лития. Он сказал: «Вчера, я обсыпал кости курицы оставшейся в моей тарелке хлористым соединением лития
(пеплом от сигарет), и сегодня литий в моем супе»!
В 1952 году, во время взрыва первой термоядерной бомбы (бомба Н) в Тихом океане, газета «Нью Йорк таймс» поместила
крупным шрифтом в заголовок описание, данное очевидцем:
«Насыщенный красно карминовый цвет…». Все химики между
строк поняли, что соединение, подвергнутое термоядерной реакции, было соединением лития (в действительности, его гид
ридом) к великому разочарованию тех, кто сделал вышеупомянутую бомбу в строжайшей тайне.
Вернемся к электронам. Согласно открытию принца (затем
герцога) Луиса де Брогли (нобелевская премия по физике 1929
года), электроны обладают двойственной природой: иногда это
частицы, иногда это волны, но никогда и то, и другое одновременно. Тут все зависит от способа их наблюдения то есть от способа приложенного взаимодействия.
Нижеприведенный юмористический рисунок М.Е. Хилла,
опубликованного в журнале «Пак» в 1915 году, является красочным примером макроскопической метафоры, иллюстрирующим
микроскопическую действительность двойственности волна/частица электрона. Как таковой, в своей сущности, вышеупомянутый рисунок представляет либо молодую женщину, либо древ Руки, составы и моли: что это за бессмыслица? 17
нюю колдунью. Загнутый крючком нос и запавший глаз старой
колдуньи есть, соответственно, щека и левое ухо молодой женщины. Кстати, о колье молодой женщины, оно может быть интерпретировано как рот старой колдуньи. Это процесс зрительного восприятия заставляет нас понимать этот рисунок как портрет
одной персоны либо юной, либо старой.
Неоспоримо, что в химии, как и в других экспериментальных
науках, легче принять абстрактные понятия, когда они произносятся для описания конкретных наблюдений1. Вот почему примем абсолютную необходимость исполнять во время основного
изложения химические демонстрации, которые иллюстрируют
описанные феномены и законы, которые при этом действуют.
Все преподаватели должны приложить усилия для того, чтобы
дать студентам больше возможности реализовать удивительные
вещи, то есть немного «магические» потому, что это требует объяснений, которые поощряют изучать химию с энтузиазмом и эффективностью.
Каждый из нас любит магию, но студенты поначалу не очень
любят химию, без сомнения потому, что эта наука им кажется
слишком загадочной. С этого момента, «Магия» может стать весьма полезной, как эффективный инструмент для того, чтобы мотивировать изучение химии. Идея здесь – более точно представить различные демонстрационные опыты не как сеансы магии в
полном смысле этого слова, которые имеют характер практически необъяснимый, а, скорее всего, как примеры того, что химики могут сделать, благодаря знаниям о химических реакциях и
свойствах, которыми они обладают. Возможная цель, таким образом, показать и объяснить химические понятия через наглядные опыты или, как говорят в США, «зачаровывающие» и, конечно, не заставить верить в миф, что химия есть наука мистическая и покрытая мраком. Любопытство студента, который видит или, в идеале, сам осуществляет такие эксперименты, будет
от этого усиливаться, что означает много лучшее восприятие различных концепций.
Идея представить химию в увлекательной форме и вызвать
интерес к этой науке, подать ее наглядно имела явный успех среди студентов и специалистов. В этой связи необходимо подчеркнуть новаторские работы профессора Уберта Н. Алеа (Принстон
ский Университет) который без сомнения был «родоначальником»
такого подхода, так же как и публикации профессоров Жоржа Л.
Гилберта (Университет Денисон, штат Огайо) и Вассама З. Шак
1 Некоторые дополнительные сведения, или другой хорошо реализуемый
опыт, приводится в указательном виде. Лектор может, если хочет, получить информацию о своем сюжете в библиографии на сайте www.dunod.com.
8 Предисловие
хашири (Университет штата Висконсин). Очень много книг, посвященных этой тематике, было опубликовано в США и Канаде.
С недавнего времени в свободной продаже имеются химические
наборы, позволяющие легко реализовать при полной безопасности наиболее зрелищные демонстрации химических опытов (люминесценцию, осциллирующие реакции и т.п.). В некоторых музеях, таких как Научный Музей института им. Франклина в
Филадельфии, Музей науки и техники в Чикаго, Немецкий Музей в Мюнхене – и, конечно, в Париже в Музее Открытий, созданном в 1937 году Жаном Пера – Нобелевская премия по физике 1926 года – публика может свободно присутствовать на
демонстрациях подобного рода. Различные американские университеты имеют в своем распоряжении, кроме всего прочего, гигантские фургоны, настоящие передвижные лаборатории, которые бороздят страну для того, чтобы возбудить в молодежи интерес к
химии.
Цель этой книги иллюстрировать наиболее фундаментальные понятия посредством опытов, забавных историй и других
интеллектуальных развлечений, дабы придать им привлекательность. Автор этих строк преподает химию (общую, органическую и фармацевтическую) в Луванском католическом Университете (УКЛ Брюссель) больше тридцати лет и, в частности,
полностью себя посвятил упражнениям и практическим работам, связанным с этой дисциплиной. Это продукт его опыта,
внимательного отслеживания литературы и многочисленных
контактов с североамериканскими университетами, беспокоящимися об оценивании химии, которая вам тут преподнесена, в
свете неофитов. Бесспорно, любознательность есть ключ к знаниям и к успеху.
Поль Деповер,
профессор Луванского католического университета (УКЛ-Брюссель),
приглашенный профессор Университета Лаваль (Квебек)
Благодарности
Автор благодарит госпожу Мишель Паризи и госпожу Жозиан
Жореман, а также господ Клода дэ Мэйер, Уолтера Хаддерса и
Альфонса Брамса за их значительный вклад в осуществление иконографии. Он высоко оценивает занимательные иллюстрации,
выполненные Рашидом Мараи, которые очень хорошо сочетаются с философией книги. И наконец, он находит необходимым
выразить всю свою признательность господину Лоран Бертон за
его громадную помощь в конкретизации этого издания.
Предостережения
Химические эксперименты вынуждают обращаться с веществами, которые могут представлять некоторую опасность: возгорание, порча одежды, взрыв и т.д. Достаточно маститые химики
С.В. Шелль, Ж. Пристли, П.Л. Дюлонг и другие были жертвами
несчастных случаев, иногда смертельных. Риск, таким образом,
вполне реальный. Ввиду этого, а также токсичности большей части химических веществ, преподаватель призван скрупулезно следовать требованиям безопасности там, где он находится: носить
лабораторный халат, защитные очки и перчатки, работать в вытяжном шкафу и т.д. Проверка этикеток на флаконах, содержащих вышеупомянутые химические вещества и особое внимание
к предупреждающим об опасности пиктограммам так же, как к
значению номеров относительно характера риска (от R1 до R68)
и к советам об осторожности (от S1 до S64): никогда не игнорируйте это.
Значение Символ Значение Символ
Токсично Окислитель
(Т) (O)
Раздражающее Коррозийная
(Xi) опасность
или вредное (C)
(Xn)
Легко воспла Взрывоопасно
меняемое (E)
(F)
ГЛАВА 1
ИЗ ЧЕГО ВСЕ ТАКИ
ВЕЩЕСТВО СДЕЛАНО?
От большого взрыва до матрешек
Вещество появилось из пустоты около 15 миллиардов лет назад после
взрыва сверхплотной, сжатой в точку массы. Такова современная
формулировка «гипотезы первоначального атома», придуманная в
1931 году известным астрофизиком профессором Луванского университета (УКЛ) Жоржем Лемэтром. Его английский коллега Фрэд
Хойл с сарказмом1 именовал этот взрыв «создателем колоссальной
энергии», «Большим взрывом». Теория «Большого взрыва», справедливость которой впоследствии была доказана, имеет в своем следствии расширение вселенной, названное еще разбеганием галактик. «Большой взрыв» позволил образоваться звездам и реализовать
в их недрах ядерный синтез – то, что и объясняет их излучение.
В настоящее время принято считать, что к концу их жизни, это
означает после синтеза наиболее тяжелых атомных ядер, некоторые
звезды в зависимости от типа взрывного процесса (сверхновые) наполняют межзвездное пространство указанными ядрами до того,
как разрушить самих себя. Множество этих ядер с соответствующим количеством электронов тогда то преобразовалось с формированием различных типов атомов, которые и образуют нашу планету.
В обычной жизни мы наблюдаем три агрегатных состояния вещества – твердое, жидкое и газообразное. Наиболее часто, веще
ства существуют в виде смесей многих составляющих в различных
пропорциях (пример: песок, воздух). Эти смеси могут быть однородными (пример: нашатырный спирт, то есть раствор газа аммиака в воде) или неоднородными (пример: золотоносные пески) в
соответствии с тем, что в неоднородных смесях различимы частицы
разных веществ, а в однородных – нет. Различные физические
1 На английском языке фраза «Big Bang» звучит иронично, как «Большой
Бзынь (Бац и т.п.)». – Прим. пер.
12 Глава 1. Из чего все таки вещество сделано?
методы позволяют разделить составляющие элементы, содержащиеся в смеси: так можно отделить золото от золотоносного песка с
помощью дробилки или получить пресную воду из соленой морской воды посредством дистилляции. Эти составляющие элементы,
называемые в этом случае чистыми веществами, остаются идентичными самим себе при теоретической попытке их разделения (пример: золото, вода, аммиак). Они образованы из частиц одного типа,
которые называются молекулами. Таким образом, молекула является самым маленьким количеством некоторого чистого вещества,
способного существовать в свободном состоянии, то есть сохранять
свои свойства (например: Н2О молекула воды, NН3 молекула аммиака). Молекулы, как это показано в двух вышеприведенных примерах, являются результатом объединения атомов. Если молекулы
одного чистого вещества состоят из разных атомов, то говорят, что
оно сложное (или составное). Каждое сложное вещество обязательно может быть «разложено» на свои составляющие с помощью определенных процессов (например: молекула воды Н2О может быть
разделена с помощью гидролиза на молекулы водорода Н2 и кислорода О2). Молекулы (Н2 и О2), состоят из атомов одного типа (соответственно Н и О), которые являются простыми химическими эле
ментами. Эти элементарные атомы или химические элементы,
характеризуются своим порядковым атомным номером Z, который
представляет собой номер ячейки, в которой они находятся, в так
называемой периодической системе химических элементов. Эта периодическая классификация химических элементов была создана
1 марта 1869 года русским ученым Дмитрием Менделеевым и является пионерским достижением в химии. Некоторые мнемонические
фразы, в основном на английском языке, позволяют легко запомнить содержание различных ее периодов (Их прямой перевод на русский язык, естественно, не позволяет запомнить таблицу Менделеева. – Прим. пер.). На русском языке можно предложить, например,
для второго периода таблицы Менделеева, следующую фразу:
Лишний Был Билет У Анны Кланяться Фоме Не надо
Литий Бор Бериллий Углерод Азот Кислород Фтор Неон
В действительности, каждый атом состоит из тяжелого ядра,
практически определяющего полную массу всего атома и очень
легких электронов, которые вращаются вокруг ядра на относительно большом расстоянии по сравнению с радиусом самого
ядра. Атом с порядковым номером Z содержит Z электронов.
Каждый из электронов имеет электрический заряд –1. Соответствующее ядро состоит из нуклонов: Z протонов (эл. заряд +1) и
От большого взрыва до матрешек 13
А – Z нейтронов (заряд 0), А – является массовым числом (атомной массой). После этого было установлено, что нуклоны сами
состоят из тройки кварков типов u (верх) и d (низ), которые являются носителями частичных зарядов (u – +2/3, d – –1/3).
Протон состоит из трех кварков в обязательном сочетании
uud, в то время как нейтрон есть результат сборки udd. До сегодняшнего дня предполагали, что эти кварки являются наиболее
мелкими частицами материи. Однако многие исследователи думают, что есть высокая вероятность того, что кварки состоят из
еще более мелких частиц прокварков (преоны, ришоны, и т.п).
Есть ли конец этой серии матрешек?
Русские куклы – матрешки – в действительности есть ряд раскрашенных полых деревянных кукол, вкладывающихся одна в другую
Вещество
Молекулы
Атомы
Электрон(ы) Ядро
Протон (ы) Нейтрон (ы)
Кварки
Прокварки (преоны, ришоны, и т.п.)
14 Глава 1. Из чего все таки вещество сделано?
Орбиты и орбитали –
это не одно и то же!
Атомарная модель Бора описывает атомы как миниатюрные планетарные системы: предполагается, что электроны вращаются
вокруг ядра по некоторым хорошо определенным орбитам. Волновая механика очень быстро заменила это неадекватное представление моделью с волновой функцией еще называемой волновой областью: 1s, 2s, 2p, и т.д. (см. уравнение Шредингера,
которое рассматривается в более специализированных работах).
Это успешное представление электронов отвечает правилу Маделунга. На электронных облаках (орбиталях) траектория электронов точно не известна (см. Принцип неопределенности Хейзенберга).
Внимательное изучение приведенной выше муаровой картинки позволяет за счет обмана зрения представить себе одновременное и случайное движение электронов внутри разных атомных орбиталей. Эти электроны, с другой стороны, представляют
одно интересное свойство: они выдают сами себя! Действительно, когда некоторые типы атомов разогреваются в пламени Орбиты и орбитали – это не одно и то же! 15
релки Бюнсена, тот или иной электрон возбуждается и переходит
на более высокий энергетический уровень. Последующий возврат, опускающий электрон до его базового уровня, сопровождается выбросом энергии, которая была поглощена, и это иногда
проявляется в виде видимого света. Такой «тест пламени» применяется в аналитической химии для того, чтобы идентифицировать химические элементы. Фейерверк есть не что иное, как применение этого принципа в широком масштабе.
Марка США выпущенная в 1963 году, изображающая фейверк
Эти «тесты пламени» наиболее часто выполняются с помощью платиновой нити, которую погружают в концентрированную соляную кислоту и затем в анализируемое вещество. Вот,
для примера, некоторые наблюдаемые типичные цвета:
– литий (Li) красно-карминовый;
– натрий (Na), желтый, не видимый на голубом стекле из
кобальта;
– калий (K), голубой лавандовый, но пурпурно-красный на
голубом стекле из кобальта;
– барий (Ba), яблочн-зеленый;
– кальций (Ca), оранжево-красный;
– стронций (Sr), кремовый.
16 Глава 1. Из чего все-таки вещество сделано?
Такие тесты могут также реализовываться с помощью бумажных полосок, пропитанных анализируемым веществом, наблюдаться с помощью спрея или баллончика с водородом. Были
описаны и другие варианты, требующие иногда дополнительных
приготовлений.
Анекдоты по поводу пламени
Известный физик и химик Р.В. Вуд из университета Джон Хопкинс, в Балтиморе рассказывал, что когда он был студентом в
Германии, он только что обнаружил, что суп, который ему подали, был приготовлен из костей курицы, которую он уже ел раньше. Он взял платиновую проволоку, окунул в свой суп и поместил в пламя спиртовки: появился красный карминовый цвет,
характеристика лития. Он сказал: «Вчера, я обсыпал кости курицы оставшейся в моей тарелке хлористым соединением лития
(пеплом от сигарет), и сегодня литий в моем супе»!
В 1952 году, во время взрыва первой термоядерной бомбы (бомба Н) в Тихом океане, газета «Нью Йорк таймс» поместила
крупным шрифтом в заголовок описание, данное очевидцем:
«Насыщенный красно карминовый цвет…». Все химики между
строк поняли, что соединение, подвергнутое термоядерной реакции, было соединением лития (в действительности, его гид
ридом) к великому разочарованию тех, кто сделал вышеупомянутую бомбу в строжайшей тайне.
Вернемся к электронам. Согласно открытию принца (затем
герцога) Луиса де Брогли (нобелевская премия по физике 1929
года), электроны обладают двойственной природой: иногда это
частицы, иногда это волны, но никогда и то, и другое одновременно. Тут все зависит от способа их наблюдения то есть от способа приложенного взаимодействия.
Нижеприведенный юмористический рисунок М.Е. Хилла,
опубликованного в журнале «Пак» в 1915 году, является красочным примером макроскопической метафоры, иллюстрирующим
микроскопическую действительность двойственности волна/частица электрона. Как таковой, в своей сущности, вышеупомянутый рисунок представляет либо молодую женщину, либо древ Руки, составы и моли: что это за бессмыслица? 17
нюю колдунью. Загнутый крючком нос и запавший глаз старой
колдуньи есть, соответственно, щека и левое ухо молодой женщины. Кстати, о колье молодой женщины, оно может быть интерпретировано как рот старой колдуньи. Это процесс зрительного восприятия заставляет нас понимать этот рисунок как портрет
одной персоны либо юной, либо старой.