Лев Власов - Занимательно о химии

Поначалу думали так: в талой воде больше дейтерия. А тяжелая вода в небольших концентрациях благотворно влияет на развитие живых организмов. Но в таком объяснении была лишь доля истины…

Теперь ищут разгадку в другом, в самом процессе таяния.

Лед имеет кристаллическую структуру. Однако и вода — это в общем жидкий кристалл. Ее молекулы расположены не в беспорядке, а образуют строгий ажурный каркас. Построенный, правда, иначе, чем у льда.

При таянии льда его структура сохраняется долго. Талая вода по внешнему виду — жидкость, а молекулы в ней все еще расположены «по-ледяному». Благодаря этому химическая активность талой воды как бы возрастает. Она с большой легкостью принимает участие во множестве биохимических процессов. Попадая в организм, она легче, нежели обычная, соединяется с разными веществами.

Ученые считают, что структура воды в организме очень похожа на структуру льда. Обычная вода, попав в организм, должна перестраиваться. Для талой этого не требуется. Организму не приходится затрачивать лишней энергии.

Роль талой воды в жизни, видимо, очень велика.

Кое-что из области языкознания, или «две большие разницы»

Без слов нет речи, без букв нет слов. Изучение любого языка мы начинаем с алфавита. В каждом алфавите — две категории букв: гласные и согласные. Не будь тех или иных — звучная человеческая речь рассыпалась бы… Правда, в каком-то научно-фантастическом романе жители неведомой планеты изъяснялись звуками, состоящими сплошь из согласных букв. Но чего не придумают фантасты!

Природа говорит с нами на языке химических соединений. А любое из них — своеобразное сочетание химических «букв». Тех элементов, которые существуют на Земле. Количество таких «слов» превышает три миллиона. «Букв» же в химическом «алфавите» всего около сотни.

Есть в этом «алфавите» «буквы» гласные и согласные. Все химические элементы издавна подразделяются на две группы: неметаллы и металлы.

Неметаллов значительно меньше, чем металлов. Соотношение между ними выражается прямо-таки баскетбольным счетом — 21 : 83… Совсем как в человеческой речи: гласных звуков куда меньше, нежели согласных.

Сочетание одних лишь гласных звуков в человеческой речи редко выражает что-либо членораздельное: чаще всего оно сродни бессмысленному завыванию.

В химическом языке объединения только «гласных» (неметаллов) встречаются сплошь да рядом. И все живое на Земле обязано своим существованием именно соединениям неметаллов друг с другом.

Ученые недаром называют четыре главных неметалла — углерод, азот, кислород и водород — органогенами. То есть дающими начало органической жизни. Если добавить сюда еще фосфор и серу, этими шестью «кирпичиками» практически и ограничивается весь набор материалов, которые природа использует для строительства белков и углеводов, жиров и витаминов, — словом, всех химических соединений жизни.

Два неметалла — кислород и кремний (две «гласных» химического «алфавита»), объединяясь, дают вещество, которое на языке химии записывается SiO2, двуокись кремния. Она-то и представляет собой основу основ земной тверди, своеобразный цемент, не дающий горным породам и минералам рассыпаться в прах.

Закончить список «гласных» химического «алфавита» не представляет труда: в него включаются еще галогены, редкие газы нулевой группы (гелий и его собратья) да три не очень широко известных элемента: бор, селен и теллур.

Однако если бы мы сказали, что все живое на Земле построено лишь из неметаллов, то впали бы в ошибку.

В человеческом организме ученые обнаружили более 70 различных химических элементов: все неметаллы и множество металлов — начиная от железа и кончая радиоактивными элементами, в том числе ураном.

Языковеды давно обсуждают вопрос, почему в человеческой речи согласные звуки преобладают над гласными.

Химики выясняют: с какой такой стати существуют в периодической системе «две большие разницы» — неметаллы и металлы. В эти два отряда попадают порой элементы, совершенно чуждые друг другу. И все-таки в чем-то похожие.

Почему «две большие разницы»?

Некий шутник как-то заметил, что людей отличают от животных прежде всего два замечательных качества: чувство юмора и чувство исторического опыта. Человек может посмеяться над собственной неудачей и не попадет впросак там, где уже попал однажды. Мы бы упомянули еще одно качество: задавать себе вопрос «почему» и пытаться дать на него ответ.

И этим самым словечком «почему» мы сейчас воспользуемся.

Почему, например, неметаллы не разбросаны по разным этажам и секциям Большого дома, а сгруппировались в определенном месте; металлы — это металлы, и неметаллы — это неметаллы, и какая между ними разница. Начнем с последнего «почему».

Когда два элемента (нам сейчас безразлично каких) вступают друг с другом в химическое взаимодействие, наружные электронные оболочки их атомов перестраиваются. Атом одного элемента электроны отдает, другого — принимает.

Так вот в этом важнейшем законе химии и кроется различие между металлами и неметаллами.

Неметаллы способны к действиям противоположным: как правило, они могут приобретать электроны, но способны их и отдавать. Они достаточно гибки в своем поведении и в зависимости от обстоятельств могут менять свой облик. Выгоднее им принять электроны — неметаллы предстанут в виде отрицательных ионов. В противном случае на свет появляются ионы положительные. Только фтор и кислород практически не знают компромиссов — они берут электроны и никогда не отдают их.

Металлы же не в пример менее «дипломатичны», более постоянны в своих стремлениях. Девиз, которому они следуют неукоснительно: отдавать, и только отдавать электроны. Становиться положительно заряженными ионами. Приобретать лишние электроны — совсем не их стихия. Такова железная норма поведения металлических элементов.

Вот основная разница между металлами и неметаллами.

Впрочем, дотошные химики и в этом строжайшем правиле отыскали исключения. Есть и в обществе металлов непостоянные характеры. Два (пока!), всего два металла обнаружили «неметаллическую» особенность. Астат и рений (они обитают в 85-й и 75-й клетках таблицы Менделеева) известны в виде отрицательно одновалентных ионов. Этот факт словно бросает маленькую тень на удивительно целеустремленную семью металлов…

Ну, а какие вообще атомы легче отдают электроны и какие легче принимают? Атомам, у которых на внешней оболочке мало электронов, сподручнее их отдавать, а тем, у кого много, выгоднее приобретать, чтобы поскорее там оказалось 8 электронов. Щелочные металлы держат снаружи один-единственный электрон. Расстаться с ним для этих металлов — пустое дело. А расстались, глядишь, обнажилась устойчивая электронная оболочка ближайшего инертного газа. Потому-то щелочные металлы — самые химически активные среди всех известных металлов. И «самый-самый» среди них — франций (клетка номер 87). Ведь чем тяжелее элемент в группе, тем больше размеры его атома и тем слабее ядро удерживает единственный наружный электрон.

В царстве неметаллов наиболее яростен фтор. У него во «внешних сферах» семь электронов. Восьмого как раз не хватает для идиллии. И он с жадностью отнимает его почти у любого элемента периодической системы, ничто не может устоять перед бешеным натиском фтора.

Другие неметаллы принимают электроны кто легче, кто труднее. И понятно теперь, почему группируются они главным образом в верхнем правом углу таблицы: ведь у них снаружи много электронов, а такая картина может быть только у атомов, стоящих ближе к концу периодов.

Еще два «почему»

Металлов так много, а неметаллов так мало на Земле? Металлы гораздо больше похожи друг на друга, чем неметаллы? В самом деле, трудно спутать по внешнему виду, скажем, серу и фосфор или йод и углерод. Но даже опытный глаз не всегда сразу определяет, какой металл перед нами: ниобий или тантал, калий или натрий, молибден или вольфрам.

…От перемены мест слагаемых сумма не меняется. Это едва ли не самый «железный» принцип арифметики. Для химии, когда она начинает копаться в устройстве электронных оболочек атомов, этот принцип подходит далеко не всегда…

Все идет гладко, пока мы имеем дело с элементами второго и третьего периодов менделеевской таблицы.

У каждого элемента этих периодов новые электроны входят во внешнюю оболочку атомов. Приплюсовался очередной электрон — глядишь, и свойства элемента совсем другие, нежели у его предшественника. Кремний не похож на алюминий, сера на фосфор. Металлические свойства быстро сменяются неметаллическими, потому что чем больше у атома электронов во внешней оболочке, тем неохотнее он с ними расстается.