• Главная
• Контакты
• Нашёл ошибку
• Прислать материал
• Добавить в избранное

Грубо говоря, существует сотня различных сортов атомов, не считая изотопов(то есть атомов с одинаковыми химическими свойствами, но несколько различнымиядрами). Около десятка атомов - вещи эфемерные, их получают ученые-ядерщикипутем превращений других атомов. Остальные, вероятно, всегда существовалив природе в более или менее неизменном виде. Из них около двадцати-тридцатидостаточно распространены, чтобы интересовать нас в рамках этой книги.Каждый вид атомов зовется элементом. Все атомы одного элемента в основномидентичны, но атомы разных элементов сильно различаются по своим свойствам.Это основная причина того, почему материя представляется нам в таком бесконечномразнообразии.

Атомы элемента могут существовать в чистом однородном “элементарном”состоянии, например железо (Fe), углерод (С) и т.д. Они могут также существоватьв виде смеси или раствора, свойства которых представляют собой, как правило,комбинацию свойств компонентов. Наконец, элементы могут образовать определенноехимическое соединение, которое оказывается уже совершенно новым веществомсо своими собственными характерными свойствами. Например, хлор (Сl) в нормальномсостоянии представляет собой зеленый ядовитый газ, натрий (Na) - мягкийблестящий металл. Равное число атомов этих двух элементов образуют хлористыйнатрий (NaCl), белый безвредный порошок, обычную поваренную соль.

Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируютсяс образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,-этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов - углерода,водорода, кислорода и азота - может дать необозримое множество почти всехвеществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большогочисла синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина,масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими.К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.

Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула.Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия ихлора. Молекула бензола C₆H₆содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многиеэлементы существуют в форме молекул, например I₂(иод). Молекулы могут быть очень разных размеров - от весьма малых, содержащихпару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысячатомов.

Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотенангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше,их типичный размер - что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако,длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длинене уступают органическим.

Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическимисвязями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своимсвойствам.

Ковалентная связь. Эта связь возникает, когда электрон, двигаясьпо эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникаеттруднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой.Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомамиуглерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.

Ионная связь. Индивидуальные атомы элементов в целом электрическинейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когданатрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрийоказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результатедва атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особеннохарактерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаютсясоединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В товремя как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действуетболее равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.

Металлическая связь. Эта связь, как правило, держит вместе атомыметаллов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этомслучае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно наорбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу,будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Ониобразуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легковозникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободнодвижутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.

Водородные связи. Молекула воды H₂Ов целом электрически нейтральна, но распределение электрического зарядав ее объеме неоднородно. Местные нарушения баланса зарядов могут обеспечиватьбольшие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические, имеютвдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягиватьдругие группы -ОН, молекулы воды и т. д. Так осуществляется связь междумолекулами растений и животных.

Силы Ван-дер-Ваальса. Они намного слабее других сил и возникаютвследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникатьпо всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определенными химическимигруппами. Сцепление, основанное на вандерваальсовых силах, встречаетсяв природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и другихискусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможностьслабенькой “склейки” почти любой пары веществ при условии, что поверхностидостаточно чистые и находятся в хорошем контакте.

Температура может подниматься вверх сколько угодно, но она не может падать нижеабсолютного нуля, положение которого впервые вычислил Кельвин и которыйсоответствует -273° Цельсия. При абсолютном нуле все атомы и молекулы любоговещества находятся в покое и все вещества находятся в твердомсостоянии[53].

Как только температура начинает расти, все атомы у молекулы начинают вибрировать.Чем выше температура, тем интенсивнее их движения - теплота определяетсяпросто беспорядочными колебаниями атомов и молекул в теле. Вода, например,остается твердым телом, льдом, вплоть до температуры 0° С, хотя его внутренниесвязи все больше и больше атакуются термическими возбуждениями с ростомтемпературы. Наконец, при 0°С борьба заканчивается не в пользу сил сцепленияи молекулы получают свободу перемены мест, которая характерна для жидкости- лед плавится, образуя воду. Если температура продолжает расти, перемещениямолекул становятся все более энергичными; так продолжается до 100° С, когдавода закипает, образуя газ, или пар, в котором молекулы, освобожденныеот какого бы то ни было взаимного сцепления, носятся совершенно произвольно,словно рой пчел. Когда температура понижается, те же самые события происходятв обратном порядке, пар конденсируется и рано или поздно замерзает. Этиизменения состояния обычно рассматриваются как физические события, посколькуединственной связью, которая при этом разрушается и восстанавливается,является водородная связь между молекулами воды, которые сами по себе остаютсянеизменными.

Хотя температуры плавления и кипения различных веществ изменяются вочень широком диапазоне, основные принципы во многом остаются неизменнымидля всех веществ. Некоторые вещества (иод, хлористый аммоний NH₄Clи др.) переходят сразу из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое.Многие сложные твердые соединения химически разлагаются при нагреве ещедо того, когда наступят условия для их плавления или испарения.

Как мы уже говорили, все молекулы с большей или меньшей силой притягиваютсяодна к другой, и, если тепловые толчки не помешают им в этом стремлении,они объединяются в некоторое тело, которое мы воспринимаем как твердое.Поскольку молекулы притягивают одна другую, они, естественно, пытаютсясблизиться как можно теснее, а этого можно достичь, не наваливаясь способом“куча мала”, а путем некоторой правильной упаковки. Куча наваленного кирпичазанимает больший объем, чем те же кирпичи, сложенные в штабель. Но, посколькумолекулы имеют более или менее свободный выбор места для себя, они стремятсяпри затвердевании расположиться упорядочение, подобно кирпичам в стене.Такая возможность существует, если жидкость остается совершенно текучейвплоть до момента “замерзания”, как это имеет место в случае воды и металлов.В этих условиях молекула в поисках подходящей позиции будет долго шнырятьвокруг, пока не окажется в месте, которое отвечает условию плотной упаковки.В нем она и оседает.

Такой ход событий приводит к образованию кристаллов, которые представляютсобой в высшей степени упорядоченную систему атомов или молекул. Поразительнарегулярность расположения большого числа атомов в хорошем кристалле.

Все твердые тела имеют тенденцию быть кристаллическими, но не все достигаюттакого состояния. Так, металлы и многие простые неорганические веществаимеют кристаллическую структуру. Некоторые вещества могут быть кристаллическимив той или иной степени. Хорошие кристаллы часто бывают довольно большими,до нескольких сантиметров в поперечнике. Они имеют характерные, часто простыегеометрические формы.

Если жидкость перед затвердеванием очень вязкая (то есть густая) илиже она очень быстро охлаждается, молекулы не имеют возможности стать вположения плотной упаковки, и материал затвердевает в форме беспорядочногонагромождения молекул. Такой материал называется аморфным или стеклообразным.Высокая вязкость жидкости при приближении ее к точке замерзания связана,как правило, с тем, что молекулы объединяются в малоподвижные цепи илисетки. Именно такой процесс идет при затвердевании некоторых окислов, напримердвуокиси кремния SiO₂, иначе говоря -песка,который плавится, превращаясь в вязкую жидкость, а при последующем охлаждениилегко образует стекло. Точка плавления чистой двуокиси кремния очень высока(1600°С) поэтому для большинства стекол используют смесь песка, известии соды, которая может плавиться в обычных печах.

Купленный в магазине сахар обычно кристаллический. Однако, если сахаррасплавить и затем довольно быстро охладить, получится стеклообразная конфета.Патока очень вязкая, густая жидкость, при затвердевании она может перейтив стеклообразное состояние.

Металлы, а также вещества, подобные сахару и соли, имеют кристаллическоестроение. К числу кристаллических тел относится также большая часть горныхпород, имевших предостаточно времени на охлаждение. Стекло, обсидиан иириска - аморфны. Некоторые материалы являют собой смесь этих двух структур.Например, керамическая посуда состоит из небольших кристалликов металлическихокислов и силикатов, которые в процессе обжига склеиваются воедино тонкимипрослойками аморфного стеклообразного материала. Глазурь на такой посудеполучают наплавлением слоя легкоплавкого стекла.

Вещества живой природы, ткани растений и животных, а также все пластмассысуществуют в форме полимеров. Полимеры - удобный строительный материалкак для живой природы, так и для химиков-технологов. Основной принцип состоитздесь в том, что малые единичные молекулы пристраиваются одна к другой,так что образуются длинные цепочки или развитые сетки.

Сюда относятся вещества, подобные натуральной и синтетической резине.Они до некоторой степени напоминают полимеры, так как их молекулы образуютдлинные цепи. Но эти цепи не очень плотно прилегают одна к другой с боков.Поэтому цепи могут складываться и свиваться. Огромные механические удлинениярезины определяются распутыванием этих цепочек.

Примечания:

5

Для воспитанного на идиомах английского читателя мел и сыр представляют собой образцовый пример совершенно различных веществ: в английском языке существует выражение as different as chalk is from cheese. - Прим. перев.

53

За исключением гелия. - Прим. ред.