Из чего всё сделано? Рассказы о веществе

Химические святцы

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.