Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Однако есть и другие формы существования углерода – совершенно не черные, не пачкающие и не мягкие, а совсем даже напротив – прозрачные и очень твердые. Такая форма существования углерода называется алмазом. Если грифель растирается в пыль руками, то алмаз – самое твердое вещество на Земле. И кто скажет, что он пачкается? Он прекрасен! Это вам любая женщина подтвердит.

Но каков фокус! С одной стороны – нечто черное, непрозрачное, проводящее электрический ток и очень мягкое. С другой – бесцветный, прозрачный, невероятно твердый изолятор (материал, не проводящий ток). И это все – одно и то же вещество!

Почему?

Фазовый переход, друзья мои! При определенных (очень высоких) температурах и давлениях графит превращается в алмаз. Химически он остается все тем же веществом, но его физические свойства, как видите, меняются кардинально. А все из-за того, что перестраивается кристаллическая решетка.

Так упакованы атомы в графите

А так они располагаются в алмазе

Однако при прямо противоположных физических свойствах своих химических «привычек» алмаз не лишился. Он точно так же может прореагировать с кислородом (О) и полностью окислиться, то есть сгореть без остатка, целиком превратившись в углекислый газ (СО2).

Углерод – один из важнейших для жизни элементов. Собственно, жизнь из него и «сделана». Этот элемент обладает чудесным свойством выстраивать сам с собой, а также с другими элементами длинные молекулы, именуемые полимерами. Из таких длинных атомных цепочек и строится вся органика, то есть, грубо говоря, «живое вещество».

Азот (N), стоящий в таблице Менделеева правее углерода, – это газ. И соседний кислород (O) тоже газ. И фтор (F) – газ. А вот более легкий, чем эти трое, углерод – почему-то представляет собой твердое вещество. Почему? Потому что он, в отличие от кислорода, азота и фтора, не образует легких молекул из двух атомов, типа О2, N2 и F2. Сила связи между атомами кислорода в одной молекуле кислорода О2 велика, а между разными молекулами кислорода слаба – вот они и разлетаются в разные стороны. Зато в алмазе, например, все атомы углерода связаны друг с другом одинаково крепко – в один сплошной полимер. Можно сказать, что кристалл алмаза – это одна сверхгигантская молекула. И конечно, такая сверхтяжелая «молекула» газом быть никак не может.

Тот раздел химии, который изучает углеродные полимеры, называется органической химией. Углеродные цепочки – тот «скелет», на котором строятся молекулы жизни.

Круговорот углерода в природе прост – животные дышат кислородом, а выдыхают углекислый газ (СО2), связывая таким образом углерод. Растения же, напротив, дышат углекислым газом, выдыхая в атмосферу кислород, а высвобожденный углерод пускают на строительство своего «тела» – ствола, листьев, корней. Потом растения поедаются животными, и углерод, как главный строительный материал всего живого, поступает в их тела.

В человеке массой 70 кг содержится 15 кг углерода. Больше, чем углерода, в организме человека только кислорода – почти 45 кг. А водорода – 6 кг. При этом атомов водорода в штуках почти в два раза больше, чем атомов кислорода, просто водород очень легкий. Водород и кислород присутствуют в нашем организме в основном в виде воды, из который человек состоит на 70 %. Человек, по сути, это водный пузырь, армированный костями. Точнее, миллиарды микроскопических водяных пузыриков, именуемых клетками. Все жизненные реакции внутри нас идут в водном растворе.

Это, пожалуй, самый агрессивный элемент из существующих, стремящийся прореагировать со всем, что попадается ему «под руку». Фтор находится в правом верхнем углу таблицы Менделеева, что уже говорит о многом. Это практически полюс системы элементов, самая ее крайность.

Мы привыкли тушить огонь водой, потому что вода негорюча. Но в атмосфере фтора горит даже вода, высвобождая кислород и образуя фторид водорода (HF). Если этот фторид растворить в воде, то получится плавиковая кислота – самая агрессивная кислота из известных нам. Обычную кислоту (серную, соляную и пр.) можно хранить в стеклянных сосудах. А плавиковая разъедает даже стекло, поэтому ее хранят в специальных фторопластовых емкостях.

Если в атмосферу фтора бросить кремний или уголь, то их даже поджигать будет не надо – сами воспламенятся, настолько хочется фтору с чем-нибудь пореагировать! Не зря его так назвали: «фтор», что в переводе с греческого означает «разрушающий». Опасная штука! В атмосфере фтора горят и кирпич, и асбест, и многие металлы.

Однако в малых дозах фтор может быть и полезен. В микроскопических количествах мы получаем фтор с водой, и он, встраиваясь в наш организм, попадает в зубную ткань и позволяет зубам бороться с бактериями, вызывающими кариес, то есть гниение зубов. Но стоит только содержанию фтора в воде превысить допустимые нормы, как зубы и весь организм начинают активно разрушаться. В организме человека содержится примерно 3 мг фтора.

И еще – именно фтор, наряду с тяжелой водой, помог сделать атомную бомбу. Для бомбы необходим уран-235, который надо было отделить от урана-238. Химически их не разделишь, это одно и то же вещество. Как же выделить из урана атомы, в ядрах которых 235 нуклонов, отделив их от атомов, где 238 нуклонов?

Можно попробовать использовать центрифуги – раскручивать жидкость, и тогда чуть более легкие фракции (атомы) станут отбрасываться центробежной силой чуть дальше. Затем это более легкое отбирать, снова запускать на центрифугу и таким образом раз за разом обогащать нужными нам фракциями. Именно так отделяют тяжелую воду от обычной, легкой.

Но беда в том, что уран – не жидкость, а металл. Что же делать? Выход нашелся. Фторид урана, то есть соединение урана с фтором – легкоплавкое вещество, которое можно при невысоких температурах сделать жидкостью и подвергнуть сепарации. А уж затем, после сепарации, снова выделить из фторида чистый уран, уже разделенный.

Воздух по большей части состоит из него, родимого. Напомню: азота в атмосфере около 80 %, а кислорода – 20 %. Так что дышим мы в основном им. В организме для реакций используется только вдыхаемый кислород, азот же играет роль балласта – как вдыхается, так в неизменном виде и выдыхается. Но балласт этот не бесполезен! Дышать одним только чистым кислородом смертельно опасно.

Азот, наряду с углеродом и другими элементами, входит в ряд необходимых строительных материалов для нашего тела, только получаем мы его не из воздуха, а с едой – в составе азотистых соединений.

Азот также входит в состав удобрений, которые вносят в почву для повышения урожайности, потому что азотными удобрениями питаются растения, строя из азотистых веществ плоды и стебли. А уж эти плоды и стебли поедаем потом мы с вами. Так азот попадает в наш организм. В организме среднего человека содержится примерно 2 кг азота.

Любопытно тут вот что. Пользу азотистых соединений для урожая люди заметили несколько столетий назад. Потом в Южной Америке открыли залежи селитры – азотистого минерала, который стали использовать в качестве удобрения. Это повысило урожайность и крепко подсадило сельское хозяйство на ископаемую селитру. Настолько крепко, что мыслители позапрошлого века вскоре начали хвататься за голову: «А что мы будем делать, когда исчерпается южноамериканское месторождение, которое питает сельское хозяйство всего мира? Не грядет ли вслед за этим всемирный голод?» Видные ученые всерьез предрекали крах цивилизации из-за дефицита селитры!

Людям всегда свойственно тревожиться за свое будущее, и они постоянно задаются такого рода опасливыми вопросами по поводу разных ископаемых и прочих запасов. А что будет, когда закончится нефть? А что будет, когда закончится газ? Металлические руды? Не помрем ли мы?.. Но никогда до полного исчерпания и помирания дело не доходит, потому что с помощью ума и природной сообразительности человечество каждый раз находит замену тающему на глазах ресурсу. Сначала люди делали орудия труда и охоты из камня под названием кремень. Но не успели его запасы исчерпаться, как человечество изобрело плавку металла… Сначала жгли в печах дерево, а когда Европа «облысела» почти до конца, нашли новое топливо – уголь. Не успел кончиться уголь, стали использовать нефть в качестве топлива…

Так было и с селитрой. Человечество решительно не погибло, а просто стало производить азотные удобрения из воздуха, где этого азота полным-полно.

Этот яркий представитель инертных газов был открыт в конце XIX века специалистом в области физической химии Рамзаем. Инертными называют все газы, стоящие в 8 столбике таблицы Менделеева – аргон, криптон, гелий, ксенон, радон, поскольку все они обладают одинаковым свойством инертности, то есть весьма неохотно вступают в химические реакции с другими элементами. Атомы этих газов настолько «ленивые» на реакции, что даже между собой не дружат – их молекулы, в отличие от привычных нам газов, состоят всего из одного атома. И все эти газы открыл головастый Рамзай (некоторые, правда, совместно с физиками Рэлеем и Резерфордом).