Текст книги "Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул"

3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы

В первых двух главах вы узнали об основах химии: атомах и молекулах. В мире есть очень много атомов. Триллионы триллионов! Бессчетное количество… вы меня поняли. Но мы их практически не видим. Знаете, они очень маленькие: в триллион раз меньше человеческого волоса! Было бы странно, если бы мы смогли видеть летающие вокруг нас атомы…

И даже если бы мы могли видеть атомы невооруженным глазом, то видели бы скопления атомов, а не отдельные частицы. Все потому, что атомы и молекулы любят группироваться, прямо как школьники на вечеринке. Например, когда мы смотрим на уголь для гриля, мы смотрим на группу атомов углерода. А когда группы атомов углерода и кислорода решают объединиться в молекулу углекислого газа, мы видим твердый сухой лед.

В этих двух примерах атомы угля и молекулы сухого льда сгруппированы вместе, и между молекулами и атомами практически нет свободного пространства. Так вот, это расстояние (насколько оно велико) и является определяющим фактором того, что ученые называют фазовым состоянием.

В химии выделяют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. (Существуют и другие, например, коллоиды и плазма, однако я расскажу только о фазах, с которыми мы сталкиваемся чаще всего.) Самый простой способ определить, является вещество твердым, жидким или газообразным, – уронить его и посмотреть, что случится. Например, упавший бокал для шампанского разобьется на осколки, которые разлетятся по всей комнате. Это из-за того, что стекло было в твердом состоянии. Не важно, стекло разбито или нет: осколки остаются осколками. Стекло не превратилось в лужу (как жидкость) и не поднялось в воздух (как газ).

Существуют также промежуточные состояния вещества, которые нельзя отнести к определенной фазе. Да, стекло – это твердое тело. Но если говорить точнее, то стекло – это аморфное твердое тело. То есть оно имеет физические свойства твердых и жидких тел. Однако в данном случае мы будем считать, что стекло – это обычное твердое тело.

Когда ученые рассматривают бокал для шампанского под микроскопом, они видят, что атомы бокала располагаются вплотную друг к другу: они даже не могут двигаться. Им трудно поменять свое местоположение. Молекулы в твердом теле напоминают мне о временах, когда моя маленькая племянница засыпала у меня на руках. Не важно, что происходило вокруг: я не могла пошевелиться, потому что боялась ее разбудить. Молекулы в твердом состоянии ведут себя так же.

На микроскопическом уровне атомы в твердой фазе очень похожи на атомы в жидкой фазе, но есть одно существенное отличие – расстояние между атомами. В жидкостях атомы располагаются на приличном друг от друга расстоянии, благодаря чему могут свободно двигаться, а жидкость – принимать различные формы (например, форму сосуда, в котором она находится). Мы видим это каждый раз, когда падает бокал шампанского: стекло, ударившись о кафельный пол, разбивается на множество мелких осколков, а шампанское течет по плитке, пока не достигнет ее края или шва.

В химии мы обсуждаем форму и объем твердых и жидких тел. Жидкости легко изменяют свою форму, но имеют постоянный объем. У твердых тел объем и форма постоянны. В примере с шампанским напиток принимает форму бокала до тех пор, пока тот не разбивается. Как и любая жидкость, шампанское не имеет постоянной формы.

Давайте рассмотрим пару примеров. Вы кладете твердое тело, например картофель, на дно контейнера. Картофелина остается на том же месте, где вы ее оставили, верно? И если вы переложите ее в кастрюлю, то в обычных условиях картофелина не изменит своей формы. Однако если вы добавите жидкость, к примеру воду, то она растечется по всей кастрюле, равномерно покрывая ее дно.

Представьте себе школьников на танцах. Молекулы в жидкостях медленно танцуют, в то время как молекулы в твердых телах упрямо стоят по углам. Молекулы в жидкостях постоянно двигаются и машут руками в разные стороны, а молекулы в твердых телах стоят как столбы. Жидкость заполняет весь контейнер, а твердые тела сохраняют постоянную форму, потому что их молекулы не танцуют. По правде говоря, молекулы в твердых телах вообще не двигаются.

Большинство жидкостей на нашей планете состоят из молекул. Исключение составляют две: при комнатной температуре бром и ртуть состоят только из атомов. Все остальные жидкости имеют хотя бы одну молекулу. (Например, вода без примесей состоит из молекул Н₂О, а не из атомов водорода и кислорода; при этом ртуть в жидком состоянии состоит из атомов Hg.)

Разница между жидкостью и газом точно такая же, как и разница между жидкостью и твердым телом, – все дело в расстоянии между атомами! Давайте снова обратимся к примеру со школьниками на танцах.

Если твердые тела стоят на месте, а жидкости танцуют медленный танец, то газы танцуют квикстеп. Молекулы движутся на пределе своих возможностей, стараясь «захватить» всю танцплощадку. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не имеют постоянной формы или постоянного объема. Они стремятся заполнить контейнер целиком. Следовательно, если жидкость закрывает дно колбы, то газ пытается быть везде и сразу.

Я уверена, что вы уже знакомы с распространенными газами: кислородом, азотом и гелием. Они постоянно пребывают в движении (даже сейчас, даже внутри вашего дома), так как наша атмосфера состоит из газов. И хотя мы не можем увидеть кислород, почувствовать азот или попробовать на вкус углекислый газ, мы бы не смогли жить без них. Вот почему космонавты носят скафандры: на Луне и в открытом космосе этих газов нет. Именно поэтому аквалангисты таскают на спинах тяжелые кислородные баллоны. Человек может прожить без кислорода около трех минут, после чего наступает смерть (что, я уверена, вы и так знали).

Но здесь, на Земле, вокруг нас летают миллиарды молекул. Бо́льшую часть из них составляют азот (78 %) и кислород (21 %). Значительный 1 % занимает аргон. Кроме того, в нашей атмосфере есть незначительное количество других газов (например, углекислый), а также загрязняющих примесей (например, угарный газ). Когда вы делаете глубокий вдох, то поглощаете смесь газов. Молекулы проходят через нос в легкие и остаются там, пока 4 % кислорода не превратятся в углекислый газ. При выдохе вы выделяете молекулы азота и аргона, примерно 17 % кислорода и 4 % углекислого газа. Существует распространенное заблуждение, что мы выдыхаем 100 % углекислого газа – как вы уже поняли, это неправда.

Выдыхаемый нами аргон – газ весьма стабильный. Ученые используют его каждый раз, когда им нужна инертная среда для проведения реакций. Когда я училась в аспирантуре, то закачивала аргон в колбы с опасными реакциями: отличный способ убедиться в том, что они не взорвутся. Аргон снижал вероятность взрыва до минимума, но должна признать, что такие эксперименты все равно напрягают – в любой момент что-то может взорваться.

Аргон – элемент с атомным номером 18. Как вы уже догадались, это означает, что у него есть 18 протонов и 18 электронов. Несмотря на то, что аргон небольшого размера, он очень плотный.

Когда я на лекциях рассказываю студентам о газах, мне нравится для наглядности использовать воздушные шары, наполненные один аргоном, а другой гелием: так я демонстрирую, какое значение имеет плотность газов. Я держу шарик с аргоном и подбрасываю его. Воздушный шар сразу же падает на пол, потому что аргон тяжелее воздуха. Затем я подбрасываю шарик с гелием, и он сразу же улетает к потолку. Это все, что вам нужно знать о плотности газа.

Чем плотнее газ, тем больше молекул сгруппировано в определенном объеме. Пример: представим, что белье – это молекула; тогда корзина для белья какого-нибудь студента будет «плотной», потому что доверху набита грязным бельем. С другой стороны, у Мари Кондо[5]5
  Мария Кондо – популярная японская писательница, автор книг по организации домашнего быта. (Прим. науч. ред.)


[Закрыть] была бы «менее плотная» корзина для белья, так как она оставляет только ту одежду, которая вызывает у нее подлинную радость (и потому, что она лучше следит за своими грязными вещами, чем студенты).

Менее плотные газы, например водород или гелий, поднимаются вверх, так как они легче воздуха. Такие газы идеально подходят для воздушных шаров, о которых мы говорили выше. Как вы уже поняли, чтобы воздушный шар не улетел, его нужно привязать к чему-нибудь или утяжелить.

Но как газ вроде гелия может менять свое состояние? Переходить из газообразной формы в жидкую или из жидкой в твердую? Такие переходы, которые вы, возможно, когда-то изучали в школе, происходят вокруг нас каждый день. Таяние, испарение, конденсация или заморозка – это процессы, происходящие из-за изменения расстояния между молекулами в определенном веществе.

Один из простейших переходов – это таяние. Не знаю, как вы, а я узнала о нем еще в раннем возрасте. Когда я была на улице и ела мороженое, то лучи раскаленного солнца топили его, и оно стекало по моей руке. Отстойное знакомство с одним из основных превращений в химии. Самое смешное, что термин «таяние» не совсем подходит для такой науки. Техническим термином считается «плавление», но его практически не используют. Когда мороженое тает, расстояние между молекулами увеличивается, из-за чего твердое вещество превращается в жидкость. Итак, если молекулы в твердом теле находятся на расстоянии одной мили друг от друга (в данном примере я специально использую большие числа), то в жидкости они будут находиться на расстоянии пяти миль. На самом деле в твердых телах молекулы находятся на расстоянии примерно 10^–10 метров друг от друга, но мне кажется, что такое число будет слишком сложно представить.

Важно помнить один факт: после фазового перехода молекулы остаются точно теми же молекулами. Атомы и расстояние между атомами не изменилось, хотя молекулы друг от друга отдалились. Но как это происходит? Все просто: нужен источник энергии, в качестве которого обычно выступает тепло. Если мы изменим температуру окружающей среды, то молекулы начнут двигаться быстрее (если температура увеличится) или будут двигаться медленнее (если температура уменьшится). Как вы скоро узнаете, температура также влияет на расстояние между молекулами.

И если вы вспомните мой пример с мороженым, то все сразу станет понятным и логичным. Чтобы мороженое растаяло, требуется внешний источник тепла. Например, если я решу съесть мороженое в Техасе, то оно начнет таять спустя несколько минут. Тепла, исходящего от молекул в воздухе, достаточно для того, чтобы молекулы мороженого начали активно двигаться; в конце концов расстояние между ними увеличится. Иначе говоря, при таянии мороженого происходит плавление.

Наилучший пример плавления – первый шаг в приготовлении брецелей в шоколаде. Когда я готовлю их дома, то кладу шоколад в чашку и ставлю ее над кастрюлей с кипящей водой. Такая конструкция позволяет теплу от пара передаваться шоколаду через дно чашки. Молекулы шоколада начинают двигаться, из-за чего расстояние между ними увеличивается. Я могу точно определить, когда это произошло, ведь вижу таяние шоколада своими глазами.

Когда я убираю чашку с растопленным шоколадом с кастрюли, то наблюдаю еще один физический процесс. Из-за тепла вода в кастрюле кипит: жидкая вода превращается в пар. По мере того, как она переходит в другое состояние, пространство между молекулами воды увеличивается. Если молекулы в твердом теле и жидкостях находятся на расстоянии одной и пяти миль друг от друга соответственно, то молекулы газа – примерно в пятидесяти милях. И опять же важное уточнение: молекулы никак не изменились, но изменилось расстояние между ними. Мы уже знаем, что у газа нет постоянного объема или формы, поэтому молекулы пара поднимаются в воздух и «исчезают».

Процесс превращения воды в пар называется кипением с последующим парообразованием, хотя многие ошибочно называют его испарением. Весьма распространенное заблуждение, поэтому давайте рассмотрим, чем эти процессы отличаются. Как и при синтезе, при кипении расстояние между молекулами увеличивается; значит, для этого процесса необходимо тепло. Он происходит в тот момент, когда жидкость начинает кипеть – то есть превращаться в газ.

При испарении жидкость превращается в газ без использования дополнительного тепла. Этот процесс происходит при температуре ниже точки кипения жидкости. Например, за ночь испаряется часть воды в вашем стакане или пот с вашего тела. Для этого не нужна горелка или другой источник тепла: молекулы обладают достаточной энергией, чтобы жидкость превратилась в газ самостоятельно. И наоборот, кипящей воде нужно больше энергии, чтобы изменить свое состояние.

Так или иначе, мы можем превратить воду в газ только одним способом: нам нужно увеличить расстояние между молекулами жидкости. Те из вас, кто занимается выпечкой, сейчас узнали, что происходит с водой при топлении шоколада. Но сталкивались ли вы с тем, что на поверхности шоколада появляются небольшие надоедливые пузырьки? Если да, то поздравляю: вы наблюдали еще один физический процесс, называемый конденсацией.

Когда молекулы воды конденсируются, гладкая поверхность шоколада покрывается небольшими «пузырьками». Во время этого процесса газообразные молекулы воды (то есть пар) превращаются в жидкие и нарушают текстуру шоколада. Тоже самое происходит с бокалом напитка в жаркий день: на стенках образуются капли воды.

Конденсация и испарение – это два одинаковых, но ровно противоположных процесса. Похоже на мою поездку на работу: расстояние и затраченное время постоянно одни и те же. Я еду десять минут до работы и потом десять минут до дома. Но при этом направление, в котором я двигаюсь, отличается. То же самое происходит и с этими двумя процессами: при испарении расстояние между молекулами увеличивается, а при конденсации уменьшается. Газ превращается в жидкость, а соседние молекулы начинают притягиваться друг к другу.

Жидкости могут также превращаться в твердые тела, не меняя при этом своего химического состава. Этот процесс называется замерзанием. Когда молекулы находятся близко друг к другу, жидкость может превратиться в твердое тело. Замерзание и плавление (то есть таяние) – это противоположные процессы. При плавлении молекулам необходимо двигаться и увеличивать расстояние между собой; в результате твердое тело превращается в жидкость. Однако для того, чтобы жидкость стала твердым телом, молекулы должны располагаться практически вплотную к друг другу.

Лучший способ заморозить что-либо – это поместить объект в среду с низкой температурой, например, в морозильную камеру. Вы также можете изменить давление (в лаборатории). При низкой температуре движение молекул замедляется, из-за чего расстояние между ними уменьшается. Когда я убираю брецели в шоколаде в холодильник, растопленный шоколад затвердевает и превращается в глазурь. Этот процесс начинает происходить не сразу, к тому же тут играет роль толщина слоя шоколада. Чем больше молекул, тем больше времени требуется для их замедления – для перехода жидкости в твердое состояние. Однако все молекулы обладают точкой замерзания – температурой, при которой жидкость превращается в твердое тело.

Таяние, испарение, конденсация и заморозка – самые распространенные переходы. Есть еще два, не столь распространенных, но их нужно упомянуть: сублимация и десублимация. Это процессы перехода твердого тела в газообразное и наоборот. Молекулы, минуя жидкое состояние, сразу переходят из твердого в газообразное или наоборот. Чтобы произошли эти процессы, расстояние между молекулами должно резко увеличиться или резко уменьшиться. В зависимости от молекул подобные переходы могут происходить естественным путем в обычных условиях или в лаборатории с использованием экстремальных температур и изменением давления.

В естественных условиях сублимация происходит редко, так как для такого перехода молекулам надо очень быстро двигаться. По правде говоря, в повседневной жизни мы практически не сталкиваемся с этим процессом. Большинство людей наблюдают его только в том случае, если работают с сухим льдом. Сухой лед (или углекислый газ в твердом состоянии) обладает удивительными свойствами, благодаря которым может переходить из твердого состояния в газообразное. Это означает, что во время перехода расстояние между молекулами быстро увеличивается. Процесс происходит самостоятельно при нормальных атмосферном давлении и температуре; именно поэтому сухой лед используется для создания тумана или дыма на концертах, представлениях, а также на моих лекциях.

Сублимация также используется в освежителях воздуха и камфорных шариках. Сами по себе эти вещества твердые, но со временем они выделяют в воздух немного молекул, из-за чего появляется определенный запах. Каждая система сублимируется при комнатной температуре, однако, в отличие от сухого льда, этот процесс может занять дни, а то и недели. Вот почему автомобильные ароматизаторы необходимо менять раз в несколько недель – они перестают выделять в воздух молекулы.

Противоположный сублимации процесс – десублимация: газ превращается в твердое тело. Во время этого перехода теряется много энергии, из-за чего молекулы замедляются и останавливаются. Люди, живущие в холодном климате, сталкиваются с десублимацией намного чаще, чем им кажется. Каждое утро, когда вы выглядываете в окно и видите покрытые инеем листья, вы наблюдаете результат десублимации. Ночью молекулы воды в воздухе теряют много энергии, из-за чего оседают на листьях, образуя ледяную корочку. Если вы когда-нибудь решите понаблюдать за тем, как образуется иней, то увидите, что пар сразу превращается в лед, минуя жидкую форму.

Еще один пример десублимации – сажа внутри дымохода. Когда я жила в Мичигане, то любила проводить холодное утро, сидя у камина с кружкой горячего какао. В то время я не понимала, что если буду чуть внимательнее, то смогу увидеть, как частички сажи, переходя из газообразной формы в твердую, объединяются с пылью. Пыль и сажа копились внутри камина, оставляя после себя черный налет, который моя мама просто ненавидела. В этом случае десублимация сажи происходила намного быстрее, чем десублимация инея; по моему предвзятому мнению, оба процесса одинаково завораживают.

Напомню, что существует шесть видов фазовых переходов, которые я собрала в одной таблице.

Большинство молекул имеют собственную температуру и давление для каждого из шести переходов, однако каждая молекула уникальна. У некоторых, например, есть тройная точка. Это сочетание температуры и давления, при котором расстояние между молекулами неопределенно, из-за чего вещество одновременно существует в трех агрегатных формах: твердой, жидкой и газообразной. Например, для воды тройной точкой является температура 0,01°C (32°F) и давление 4,58 торр. Самый простой способ наблюдать такое явление в лаборатории – это набрать воду в закрытый контейнер и поместить в вакуум, чтобы снизить давление.

Я уверена, что вы видели в интернете, как люди на Аляске выливают кипящую воду при температуре –52°C. Как только вода покидает емкость, происходит фазовый переход: часть молекул моментально замерзает, превращаясь в маленькие сосульки, а часть молекул испаряется в большое белое облако. Очень похоже на заледеневший фейерверк: большое облако газа с маленькими сосульками в форме радуги. Вода находится во всех трех состояниях одновременно около одной секунды. Вот так классно она выглядит в своей тройной точке.

Есть еще несколько условий (определенные температура и давление), при которых можно отличить жидкости и газы. Когда вы поднимаетесь выше критической точки, то расстояние между молекулами в жидкостях и газах изменяется так быстро, что невозможно определить агрегатное состояние вещества. Это называется сверхкритическая жидкость; она представляет собой жидкостногазовое вещество и обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами газов (для разных типов молекул – разные свойства).

Самый распространенный пример сверхкритической жидкости – безкофеиновый кофе. Сначала зерна обрабатываются паром, после чего их помещают в специальный контейнер, способный выдерживать высокое давление. В него поступает диоксид углерода в сверхкритическом (или сжиженном) состоянии, растворяющий кофеин. Сверхкритическая жидкость не влияет на зерна кофе, благодаря чему считается идеальным растворителем кофеина. Самое интересное то, что диоксид углерода можно очистить от кофеина. А это значит, что его можно будет использовать еще несколько раз!

Раньше диоксид углерода в сжиженном состоянии часто использовался в качестве растворителя на химчистках, так как он легко удалял грязь с одежды, оставляя ту практически «сухой». (Я использую кавычки, потому что сверхкритическая жидкость – это не вполне та жидкость, к которой мы привыкли. Жидкое/газовое вещество не влажное, но и не сухое.) Однако была одна большая проблема. Вещество распылялось на одежду под большим давлением, но когда давление спадало, то хрупкие или плохо пришитые пуговицы ломались и отрывались. Улучшить этот процесс никак не получилось, поэтому, на сегодняшний день, в большинстве химчисток отказались от такого метода в пользу других вариантов.

Но все эти фазовые изменения происходят на макроскопическом уровне. Мы можем увидеть конденсацию, замерзание или даже сверхкритическую жидкость невооруженным глазом. Однако мы не способны наблюдать все изменения, поскольку некоторые происходят на микроскопическом уровне.

Как ученые «видят» мир

Когда химики, биологи, геологи или другие ученые исследуют мир, они имеют дело с двумя уровнями: макроскопическим (то, что мы можем увидеть) и микроскопическим (то, что мы не можем увидеть).

Если для того, чтобы что-то увидеть, вам необходим микроскоп, то это микроскопический уровень. Если вы можете что-то увидеть невооруженным глазом, то это макроскопический уровень.

Что же происходит с крошечными молекулами? Первое, на что мы, химики, обращаем внимание – как электроны распределяются внутри молекул. Вы, наверно, уже догадались, что это определяется формой молекулы. Химическая формула «рассказывает» ученым то, как электроны из разных молекул будут взаимодействовать друг с другом, а также то, как они будут располагаться в пространстве.

В некоторых системах молекулы выстраиваются в линию, словно они водят хоровод, в то время как в других системах скопления молекул похожи на символ инь-ян. По правде говоря, если вы знаете основные закономерности расположения молекул, вам не составит труда определить, как те или иные группы изменяются от фазы к фазе.

Однако сначала вам придется определить общую полярность молекулы. И это возвращает нас к старой теме. Электроотрицательность.

Давайте рассмотрим кислород – один из самых электроотрицательных атомов. Если он входит в состав молекулы, то будет притягивать все электроны от соседних атомов к своему ядру. В молекуле воды (Н₂О) все электроны притягиваются к атому кислорода, а не к водороду.

Так как электроны распределяются неравномерно, кислород имеет частичный отрицательный заряд. Именно так мы считали, когда изучали, как атомы делят электроны при образовании связи. А теперь давайте посмотрим, что происходит, когда в одной молекуле образуется несколько связей.

Есть два варианта того, как электроны будут распределяться в молекуле: в одном случае образуется полярная молекула, в другом – неполярная. Если вы разделите молекулу ровно пополам, она будет считаться полярной. Это значит, что электроны распределены внутри молекулы неравномерно: у нее есть положительная и отрицательная стороны, прямо как у магнита.

Давайте подробнее рассмотрим то, как электроны распределяются в молекуле воды. Повторюсь, кислород в молекуле воды имеет частично отрицательный заряд. Логично, что у обоих атомов водорода заряд частично положительный. Это касается каждой молекулы воды на Земле. Кислород всегда имеет частично отрицательный заряд, водород – частично положительный. В такой ситуации мы можем разделить молекулы воды пополам и получить одну положительную и одну отрицательную стороны, тем самым создав полюса молекулы.

Полярные молекулы вызывают цепную реакцию сильного притяжения между положительной и отрицательной сторонами молекулы воды. Это называют диполь-дипольным взаимодействием. Оно происходит только между молекулами с постоянным дисбалансом заряда (то есть полярными молекулами).

Прямо сейчас вокруг вас происходят сотни дипольдипольных взаимодействий. Если вы сидите на кухне, то они происходит в лежащих рядом яблоках и грушах, даже в куске свинины, говядины или рыбы! Если рядом стоит стакан воды, содовой или вина, то вы также наблюдаете особые диполь-дипольные взаимодействия. Они настолько сильны, что у них есть собственные названия. Молекулы воды – это идеальный пример молекул с водородной связью. Почему? Потому что это полярные молекулы с сильными полярными связями.

Но не забывайте, что водородная связь – это не ковалентная связь, возникающая, когда атомы водорода и кислорода объединяются, образуя молекулу воды. Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. Эта связь очень сильная: только представьте, шесть дюймов льда могут выдержать многотонный грузовик. Грузовик! С ума сойти, да?

Когда-то существовало шоу «Ледовый путь дальнобойщиков» (Ice Road Truckers), которым я была просто одержима. И знаете, это шоу – прекрасный пример водородной связи. Как человек, выросший в Мичигане, я хорошо знаю, какую опасность представляет собой тонкий лед. И я с замиранием сердца смотрела, как эти отважные дальнобойщики ездят по льду. Но водородные связи настолько сильны, что даже грузовики весом в несколько тонн могут спокойно ездить по замерзшим озерам Канады.

К счастью, у дальнобойщиков есть свои секреты и хитрости. Они могут на глаз оценить состояние льда, чтобы избежать катастрофы; но при этом не могут оценить силу притяжения, существующего между молекулами воды. Понимаете, при разрушении водородных связей молекулы могут начать фазовый переход. Даже при повреждении их небольшая часть лед может превратиться в воду. И это серьезная проблема для тех, кто работает или проводит время на замерзших озерах. Кстати, когда разрушаются все водородные связи сразу, вода может превратиться в пар. Итак, когда мы наблюдаем за таянием льда или тем, как кипит вода, на самом деле мы наблюдаем разрушение водородных связей.

И наоборот, мы можем наблюдать образование водородных связей при замерзании воды. Я использую этот фазовый перевод каждый раз, когда провожу демонстрацию под названием «Грозовое облако». Я добавляю горячую воду в емкость с жидким азотом, из-за чего вода на дне замерзает. В этом процессе тепло от горячей воды передается жидкому азоту, в результате чего жидкий азот (N₂) испаряется, образуя большое облако газообразного азота.

Как и в воде, притяжение между молекулами азота пропадает до того, как он переходит из жидкой фазы в газообразную. Но, в отличие от воды, азот не может образовывать водородные связи, так как эта связь образуется между полярными молекулами. Вместо этого молекулы азота образуют дисперсионное взаимодействие.

Оно возникает в том случае, если между молекулами появляется слабое притяжение. Помните, в прошлой главе мы говорили о трансжирах? Причина, по которой они могут скапливаться (и закупоривать артерии), состоит в том, что они используют дисперсионное взаимодействие, чтобы молекулы плотно сцеплялись друг с другом. Это касается каждой неполярной молекулы.

Но каково это, быть неполярной молекулой? Что это значит?

Неполярные молекулы не имеют положительную или отрицательную сторону. Электроны в них располагаются симметрично: представьте печенье с шоколадной крошкой. Если вы разделите его пополам, то на обеих половинках будет одинаковое количество шоколадной крошки. То же самое и с неполярными частицами – там электроны равномерно распределены по всей молекуле.

Интересный факт: неполярные молекулы примерно на наносекунду могут стать полярными! Но потом они возвращаются в обычное состояние. Это как если я надену шляпу и очки для пары фотографий в фотокабине, а затем сниму и снова стану обычной Кейт, какой была до этого.

Но как молекулы «переодеваются», чтобы добиться асимметричного распределения электронов внутри себя? У атома и молекул бывают моменты, когда электроны внутри них не уравновешены. Например, в молекуле азота (N₂) на два атома приходится четырнадцать электронов. Возможно, что на какую-то долю секунды на левой стороне молекулы будет шесть электронов, а на правой – восемь. В этот момент левая сторона молекулы имеет частично положительный заряд, а правая – частично отрицательный.

В моем опыте «Грозовое облако» одна молекула азота (молекула А) находится рядом с другой (молекула В). Когда на правой стороне молекулы А внезапно появляются восемь электронов, электроны в молекуле В будут отталкиваться от них. Это можно сравнить с посещением дома с привидениями, когда из ниоткуда на вас выпрыгивает скелет. Вы и ваши друзья отскакиваете и бежите в противоположном от скелета направлении. То же самое происходит при дисперсионном взаимодействии. Всего лишь один момент, когда молекула имеет несбалансированный заряд – или всего лишь один скелет, пугающий целую толпу, – и возникает эффект домино для целой группы молекул.

Молекула будет пытаться распределить свои электроны так, чтобы они находились на большом расстоянии друг от друга. Однако эффект домино будет повторяться снова и снова. Так чаще происходит в неполярных молекулах; вот почему они группируются друг с другом, а не улетают в атмосферу. Без дисперсионного взаимодействия каждая молекула азота просто отделилась бы от соседней, разрушив мой эксперимент.

Такие взаимодействия между молекулами весьма распространены, поэтому им дали отдельное название: межмолекулярные. Водородная связь, диполь-дипольное взаимодействие и дисперсионное взаимодействие – все это типы межмолекулярного взаимодействия. Когда оно возникает, газы могут превращаться в жидкости, а жидкости – в твердые тела. Когда разрушается – твердые тела могут превращаться в жидкости, а жидкости – в газы.

В моем эксперименте «Грозовое облако» вода сначала замерзает: это я устанавливаю водородную связь. Затем я разрушаю дисперсионное взаимодействие между молекулами азота, из-за чего азот испаряется. Эти два физических изменения происходят так быстро (и в закрытом пространстве), что я могу создать огромное многослойное облако пара.

Как вы уже заметили, меня захватывают фазовые изменения и межмолекулярные взаимодействия. Я могла бы дни напролет рассуждать о том, как расстояние между молекулами и образующиеся между ними межмолекулярные взаимодействия влияют на то, в каком состоянии будет то или иное вещество. Но мне кажется, пора двигаться дальше – может, давайте что-нибудь взорвем?