Все статьи из цикла "В чем прелесть предмета"
Другие статьи из цикла "В чем прелесть химии":
Зачем учить физхимию?
Неорганическая химия
Органическая химия
Полимеры
Синтез жизни
Чистый воздух

Атомный мир

Задавались ли вы когда-нибудь вопросом, почему некоторые люди тратят целую жизнь на изучение какой-нибудь науки, скажем химии, или сутками сидят в лабораториях, постигая глубины этого мира и расширяя границы нашего познания? Если вас интересовали ответы на эти вопросы, а может быть вам и самим интересна наука, то данная публикация, которой мы открываем цикл статей “В чем прелесть химии”, поможет разобраться в особенностях такой потрясающей науки, как химия. Но для начала нужно понять, что же вообще изучает химия?

Еще в XVII веке английский ученый Роберт Бойль, основоположник современной химии и научного метода, обозначил задачей химии изучение элементов, их соединений и свойств. Как вам наверняка известно из уроков естествознания, абсолютно все окружающие нас тела, будь то летающая в комнате пылинка или газовый гигант Юпитер, состоят из молекул, а те, в свою очередь, – из атомов. Таким образом, основной задачей химии является изучение нашего сложного мира на атомно-молекулярном уровне. Для этого, конечно, необходимо точно знать строение самих строительных блоков материи. Давайте же разберемся, как устроены атомы и молекулы, перед этим немного окунувшись в историю атомно-молекулярной теории.

История атомно-молекулярной теории

Как бы естественно и очевидно для нас не звучало утверждение, что вся материя состоит из атомов, вплоть до XVIII века этот факт был причиной споров лучших умов своего времени. Первые предположения о том, что все вещества состоят из мельчайших неделимых частиц, были выдвинуты древнегреческими философами. Даже само слово атом происходит от древнегреческого ἄτομος, что означает «неделимый». Однако уже в Средние века атомизм почти полностью отошел на задний план и был заменен другими теориями, такими как учение о четырех элементах-стихиях и алхимией.

Лишь в конце XVII века с распространением научного метода атомизм стал вновь набирать популярность среди ученых. Именно с этого времени, когда уже опытным путем было открыто и доказано существование некоторых отдельных химических элементов, понятия «атом» и «молекула» прочно укрепились в научных кругах. Но изучение атомов на этом вовсе не прекратилось, а только начало набирать обороты. В \(1897\) году английский физик Джозеф Джон Томпсон, исследуя катодные лучи, получаемые при пропускании высокого напряжения в разряженном газе, открыл первую субатомную частицу – электрон. Так, долгое время считавшийся неделимым, атом сам оказался состоящим из более мелких частиц. Чуть позже Эрнест Резерфорд, отец ядерной физики, доказал, что атом состоит из двух основных частей: положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Тогда он предложил свою знаменитую планетарную модель атома, по сей день являющуюся одним из главных символов науки.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом. Photo by: Petr Vaclavek

Атомное ядро

Давайте подробнее остановимся на строении атомного ядра. Оно находится в центре атома и состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов, не несущих какого-либо заряда. Сами протоны и нейтроны не являются элементарными частицами, так как состоят из более мелких частиц – кварков (это уже является вопросом изучения не химии, а скорее физики элементарных частиц). Несмотря на то, что размер ядра примерно в 10000 раз меньше размера самого атома, за счет большой разницы в массе между электронами и нуклонами (так совокупно называют протоны и нейтроны), почти вся масса атома, около \(99.97\) %, сосредоточена именно в ядре.

Для каждого химического элемента количество протонов в ядре постоянно, а вот количество нейтронов может быть разным. Атомы одного химического элемента, имеющие разное количество нейтронов в ядре, называют изотопами. Например, у водорода существует три изотопа, встречающихся в природе: протий (\(1\) протон, \(0\) нейтронов), дейтерий (\(1\) протон, \(1\) нейтрон) и тритий (\(1\) протон, \(2\) нейтрона). Основную часть всех атомов водорода в природе составляют атомы протия, остальные изотопы содержатся в очень небольших количествах, но даже так ученые находят им применение. Дейтерий, например, часто применяют в ядерной энергетике и используют для изучения механизмов химических реакций, а в последнее время дейтериевозамещенные соединения стали использовать и в медицине.

Три изотопа водорода: слева – протий, посредине – дейтерий, справа – тритий. Источник изображения

Радиоактивность

У одного элемента может быть несколько изотопов, при этом некоторые из них имеют нестабильные ядра, способные самопроизвольно распадаться. Это явление называется радиоактивностью.

Радиоактивность бывает природной (вы наверняка слышали о радиоактивном уране) и искусственной, так как радиоактивный распад можно вызвать путем искусственных ядерных реакций. Искусственный радиоактивный распад, например, применяется в ядерных реакторах: ядра урана бомбардируют нейтронами, при этом запускается серия последовательных распадов и выделяется большое количество энергии.

Серия распада урана (цепная ядерная реакция) при облучении тепловыми нейтронами. Источник изображения

Однако радиоактивность находит применение и в других областях, помимо энергетики, к примеру медицине при позитронной эмиссионной томографии (диагностическом методе, позволяющем определить расположение раковых опухолей и метастазов в организме человека). В данном методе пациенту вводят инъекцию фтордезоксиглюкозы, содержащей радиоактивный изотоп фтор-\(18\), после чего молекулы этой “радиоактивной” глюкозы накапливаются в злокачественных клетках.

Молекула фтордезоксиглюкозы

Атомы радиоактивного изотопа фтора в течение короткого времени подвергаются радиоактивному распаду, испуская при этом позитроны (античастицы электрона), которые детектируются специальным оборудованием. Таким образом удается с высокой точностью определить локализацию злокачественной опухоли для дальнейшего лечения. Сама же фтордезоксиглюкоза синтезируется прямо перед самой процедурой, причем осуществлять синтез необходимо быстро, чтобы атомы фтора не успели распасться в большом количестве. Кстати, разработкой синтезов подобных соединений занимается органическая химия, о которой вы можете прочитать в следующих статьях нашего цикла. Так на стыке трех наук – химии, физики и биологии – была разработана методика, помогающая тысячам пациентов, нуждающихся в качественном лечении, оказаться ближе к победе над таким опасным заболеванием, как рак.

Синтез фтордезоксиглюкозы из D-маннозы. Вот так иногда химикам приходится придумывать непростые пути синтеза необходимых соединений. 

Самые важные частицы нашего мира

В ходе химических реакций атомное ядро не подвергается никаким изменениям, а соответственно его строение с трудом может объяснить те или иные свойства элемента. Куда более большую значимость для химиков представляет электронное окружение атома, которое как раз и объясняет большинство химических и физических свойств всех существующих элементов. Долгое время считалось, что электроны, подобно планетам вокруг Солнца, вращаются вокруг ядра по определенным траекториям. Это та самая планетарная модель, о которой мы говорили выше. Но данная модель не полностью соответствовала реальности, а значит требовала усовершенствования. Со временем ученые поняли, что объяснить поведение электронов с помощью привычных нам законов макромира, то есть законов классической механики, просто невозможно, ведь на субатомном уровне все работает совершенно по-другому. Оказалось, что электрон вовсе не является частицей в привычном для нас понимании: он настолько быстро движется вокруг ядра, будто одновременно присутствуя в нескольких точках пространства, что обретает признаки волны. Впоследствии в ходе исследования атома и его составляющих появилась квантовая механика, раздел науки, в котором учитывается такая двойственная природа электрона. Из-за некоторых непривычных для нашего понимания законов квантовая механика обрела репутацию сложной и запутанной науки. На самом же деле, она невероятно удивительна и логична и, что немаловажно, изучает поведение электронов – самых важных частиц нашего мира.

Изображение того, с чем обычно ассоциируют квантовую механику. Источник

Давайте перейдем к расположению самих электронов. Количество электронов в атоме равно количеству протонов, так как атом электронейтрален. Любой электрон движется вокруг ядра не в хаотичном порядке, а в определенной области пространства, которая называется атомной орбиталью. Каждая атомная орбиталь имеет свою определенную форму и энергию и может вместить два электрона.

Форма некоторых атомных орбиталей. Источник изображения

По мере увеличения заряда ядра, а соответственно и увеличения числа электронов в атоме, между электронами на атомных орбиталях возникают все более сложные взаимодействия, увеличивающие общую энергию атома. Но, как известно, все в нашем мире, включая атомы, стремится к минимуму энергии. Оказалось, что наименьшая энергия атома достигается в том случае, если у него заполнен внешний электронный уровень (в большинстве случаев это крайние 8 электронов), и тогда разница между энергиями притяжения электронов к ядру и взаимного отталкивания между самими электронами на одной орбитали становится наименьшей. Но как же атом может сделать так, чтобы у него было 8 заветных электронов на внешнем уровне? Ответ прост – взаимодействуя с другими атомами. Атомы, словно люди, связанные общими интересами, делятся своими электронами друг с другом, тем самым образуя химические связи.

Межмолекулярные взаимодействия

Получается, что атомы и состоящие из них молекулы, способны реагировать друг с другом, образуя новые химические соединения со своими уникальными свойствами. По своей природе все соединения делятся на две большие группы: органические и неорганические, а изучением этих двух групп веществ занимаются соответственно органическая и неорганическая химия. Об этих разделах вы можете подробнее прочитать в следующих статьях нашего цикла.

Однако, существуют и взаимодействия между молекулами, не приводящие ни к каким химическим реакциям. Давайте рассмотрим две очень похожие друг на друга молекулы – воды \(H_2O\) и сероводорода \(H_2S\). Как вы знаете, при комнатных условиях вода находится в жидком состоянии, а вот сероводород – в газообразном. Казалось бы, более тяжелые молекулы сероводорода должны образовывать более плотное вещество, но в действительности все происходит наоборот. Почему? Ответ кроется в межмолекулярных взаимодействиях.

Начнем с того, что атомы кислорода и серы являются более электроотрицательными, чем атомы водорода, а соответственно они оттягивают часть электронной плотности на себя (проще говоря, перетягивают электроны другого атома к себе). Таким образом на атомах серы и кислорода создается частично отрицательный, а на атомах водорода – частично положительный заряд, которые притягиваются друг к другу. Но у атомов кислорода есть одно существенное отличие от атомов серы – они меньше по размеру. Это делает их сопоставимыми по размерам с атомами водорода, а значит и межмолекулярная связь между ними более прочная.

Сверху изображены молекулы воды и сероводорода, а снизу – водородные связи между молекулами воды. Источник изображения.

Эти дополнительные взаимодействия прочно удерживают молекулы воды вместе, не давая им разлететься и стать газом. А вот молекулы сероводорода сдерживаются гораздо хуже, поэтому и образуют газообразное вещество.

Разнообразие химических соединений

Объединение атомов в молекулы — это далеко не предел. Молекулы и сами способны объединяться в более сложные структуры, такие как полимеры, из которых, к слову, состоит практически весь окружающий нас мир. Подробнее о полимерах вы сможете прочитать другой статье этого цикла.

Более того, крупные молекулы также могут взаимодействовать друг с другом с образованием сложных, комплексных структур – супрамолекул. Мы уже писали о катенанах и ротаксанах, являющихся примерами супрамолекул. Они могут быть использованы в качестве хранителей информации или молекулярных моторов. Тем не менее в последнее время исследователи все чаще рассматривают супрамолекулы в качестве доставщиков медицинских препаратов. Так, молекулы кукурбит[7]урила (на изображении ниже) способны вместить в себя молекулы оксалиплатина – важного лекарственного препарата, используемого для лечения рака. В комплексе с супрамолекулой, молекулы лекарства лучше доставляются к необходимым клеткам, тем самым увеличивая шансы на успешное лечение.

Ион хлора (желтый) в молекуле (красная) кукурбит[5]урила, которая сама находится в молекуле кукурбит[10]урила (синяя). Источник изображения

Заключение

Что же все-таки привлекает людей в химии? А вот именно это невероятное разнообразие удивительных химических соединений, их свойств и способов их применения в реальной жизни будоражит умы тысяч и миллионов людей по всему миру.

С помощью строительных блоков всей материи мы уже научились создавать удивительные молекулы: одни помогают находить раковые опухоли, другие – эффективно доставлять медицинские препараты, третьи используют для покрытия космических шаттлов. И это далеко не все! За долгие годы развития науки мы исследовали лишь малую часть того, что нам еще предстоит узнать. Химия таинственна и безгранична, и каждый день ученые всего мира просыпаются с целью чуть глубже познать наш поразительный мир. Что это, если не прелесть химии?

Фонд «Beyond Curriculum» публикует цикл материалов «В чем прелесть предмета» в партнерстве с проектом «Караван знаний» при поддержке компании «Шеврон». Караван знаний – инициатива по исследованию и обсуждению передовых образовательных практик с участием ведущих казахстанских и международных экспертов.

Редактор статьи: Дарина Мухамеджанова.