Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Какой бы выбор ни сделал Фрай, ясно, что все это непросто и каждый случай нужно рассматривать в индивидуальном порядке. Для химика очевидно, что химические процессы в мозге можно изменить или даже точно настроить при помощи лекарств или, возможно, подходящего питания; но точно так же очевидно, что сделать это корректно – очень сложная задача. Однако вызванный словами или действиями эмоциональный отклик – это тоже химические реакции, а психическое здоровье – это вопрос не только ДНК, медикаментозного лечения или диеты, но и пережитых событий и жизненных обстоятельств.

Биохимическую активность лития все еще исследуют, но уже ясно, что для нее есть много областей применения. Например, Li +может работать с ионными каналами, замещая ионы натрия и замедляя работу сигнальной системы [152] Quiroz J.A., Gould T.D., Manji H.K. Molecular Effects of Lithium // Molecular interventions, 4 (259). 2004. . Возможно, это связано с его размером. Ион лития очень мал; фактически это самый маленький ион металла с зарядом +1. Его радиус на 35 % меньше иона натрия (Na +) – это довольно существенная разница.

Для меня в этом отчасти заключается очарование химии: она может быть математически сложной, но при этом такой же простой, как детский деревянный конструктор, полагающейся на такие элементарные вещи, как разница в размерах. Время от времени мы достаем свои конструкторы из ящика, однако теперь все чаще используем компьютер. И совсем как маленькие дети, которых зачаровывает цвет, форма и текстура набора шариков, химики испытывают потребность потрогать пальцем атомы и молекулы, чтобы выяснить, какими свойствами они обладают.

Конечно, довольно трудно найти что-то настолько малое, чтобы им можно было потыкать в атом – но на самом деле нам хочется знать, как он будет реагировать, если неподалеку разместить крошечный отрицательный или положительный заряд, а это мы вполне можем осуществить. Нейтральный атом лития ни тверд, ни мягок при приближении заряда, но, если убрать из него один электрон, он превращается в Li +и, совсем как улитка, прячется в свою раковину-оболочку, становясь маленьким и «твердым».

Парадоксальным образом в организме человека разница в размерах между Na +и Li +может фактически сделать ион лития больше, потому что малый размер и твердость заставляют Li +гораздо крепче держаться за окружающие его молекулы воды. Это происходит потому, что отрицательно заряженный кислородный конец молекулы воды подходит гораздо ближе к ядру лития, то есть к положительному заряду, чем к ядру натрия в соответствующем ионе. Следовательно, электростатическая связь (притяжение противоположных зарядов), которая удерживает молекулы воды вокруг иона металла, будет крепче [153] Есть симпатичная формула, демонстрирующая этот факт. Энергия взаимодействия между диполем (молекулой, имеющей положительно и отрицательно заряженные концы) и зарядом пропорциональна следующим величинам: (заряд) × («сила» диполя) / (квадрат расстояния). В виде формулы это выглядит так: E = k·q·α/r2. Чем больше расстояние, тем слабее энергия и тем легче разорвать связь. . Чем больше расстояние, тем слабее энергия взаимодействия и тем легче разорвать связь. Поэтому ионы натрия могут легко расставаться с гидратной водой , оставаясь почти голыми, в то время как ионы лития все время носят плотную шубу из молекул воды.

Золото в виде атома, напротив, очень мягкое; каким-то образом (но не напрямую) это связано с хорошо известным физическим свойством металлического золота – оно мягкое и ковкое. Можно было бы решить, что оно тоже, словно большая улитка, спрячется и станет твердым и неподатливым, если мы удалим один электрон, чтобы придать золоту степень окисления +1, Au +, но это не так. Конечно, этот ион будет не так легко потревожить, как атом золота, – в конце концов, общий заряд +1 означает, что электроны удерживаются на более короткой цепи. Но, поскольку атом золота имеет большой размер, цепь все равно получается довольно длинной, и положительно заряженное ядро с трудом контролирует внешние электроны. По этой причине ионы Au +легко деформируются и этим сильно отличаются от ионов лития, которые к тому же гораздо меньше – их объем составляет примерно 0,1 объема иона одновалентного золота. Выражаясь техническим языком, они легко поляризуются.

Смысл всего вышесказанного в том, что крепкие парни любят играть с такими же крепкими парнями, а тонкие натуры держатся в стороне. Просто взглянув на Периодическую таблицу, мы можем понять, кто есть кто, хотя для этого и потребуется больше инструментов, чем я вам здесь предоставил. Например, мы можем понять, почему ионы цианида (CN —) используются для очистки золота от примесей (они мягкие); а может быть, поймем, как делать литий-ионные батареи более высокого качества.