Джеймс Гордон - Почему мы не проваливаемся сквозь пол

Два-три десятка распространенных элементов могут комбинироваться и комбинируются с образованием громадного количества веществ, твердых, жидких и газообразных,- этим и занимается химия. Комбинация всего лишь четырех элементов - углерода, водорода, кислорода и азота - может дать необозримое множество почти всех веществ, которые мы находим в живой материи. Они же составляют основу большого числа синтетических материалов (например, пластмасс), а также бензина, масел, медикаментов, красок и т. д. Соединения этого типа называются органическими. К неорганическим соединениям относятся минералы, керамика и т.п.

Основными строительными единицами твердых тел служат атом и молекула. Например, кристалл хлористого натрия (NaCl) построен из атомов натрия и хлора. Молекула бензола C 6H 6содержит шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Кроме того, многие элементы существуют в форме молекул, например I 2(иод). Молекулы могут быть очень разных размеров - от весьма малых, содержащих пару атомов, до сложнейших структур, состоящих из сотен, а иногда и тысяч атомов.

Самые большие органические молекулы могут достигать нескольких сотен ангстрем в длину. Неорганические молекулы обычно (хотя и не всегда) меньше, их типичный размер - что-нибудь около десятка ангстрем. Существуют, однако, длинные неорганические цепи молекул (например, асбеста), которые по длине не уступают органическим.

Атомы и молекулы, образующие вещества, удерживаются вместе химическими связями. Существуют несколько типов связей, сильно отличающихся по своим свойствам.

Ковалентная связь.Эта связь возникает, когда электрон, двигаясь по эллиптической орбите, охватывает сразу два атома. Связь такая возникает труднее других, но, раз возникнув, она часто бывает очень прочной и жесткой. Такого типа связи существуют между атомами органических молекул, атомами углерода в графите и алмазе и в ряде других случаев.

Ионная связь.Индивидуальные атомы элементов в целом электрически нейтральны, поскольку заряды образующих их частиц сбалансированы. Но когда натрий реагирует с хлором, металл отдает внешний электрон газу - натрий оказывается заряженным положительно, а хлор отрицательно. В результате два атома взаимно притягиваются. Ионная связь в твердых телах особенно характерна для соединений, содержащих металлы. Довольно часто встречаются соединения, в которых связи имеют и ионный, и ковалентный характер. В то время как ковалентная связь строго направленная, ионная связь действует более равномерно в пространстве, окружающем заряженный атом.

Металлическая связь.Эта связь, как правило, держит вместе атомы металлов, когда они не образуют определенных химических соединений. В этом случае некоторая часть внешних электронов не удерживается непрерывно на орбитах вокруг фиксированных атомов, а свободно странствует по материалу, будучи коллективной собственностью всех атомов данного куска металла. Они образуют так называемый электронный газ. Металлическая связь довольно легко возникает, разрушается и восстанавливается. Так как электроны свободно движутся в металлах, последние являются хорошими проводниками электричества.

Водородные связи.Молекула воды H 2О в целом электрически нейтральна, но распределение электрического заряда в ее объеме неоднородно. Местные нарушения баланса зарядов могут обеспечивать большие силы притяжения. Многие соединения, особенно органические, имеют вдоль молекул многочисленные группы -ОН, каждая из которых способна притягивать другие группы -ОН, молекулы воды и т. д. Так осуществляется связь между молекулами растений и животных.

Силы Ван-дер-Ваальса.Они намного слабее других сил и возникают вследствие малых местных колебаний заряда, которые имеют тенденцию возникать по всей поверхности молекулы и не связаны с какими-то определенными химическими группами. Сцепление, основанное на вандерваальсовых силах, встречается в природе не очень часто, но оно довольно обычно для пластмасс и других искусственных органических молекул. Силы Ван-дер-Ваальса обеспечивают возможность слабенькой “склейки” почти любой пары веществ при условии, что поверхности достаточно чистые и находятся в хорошем контакте.

Температура может подниматься вверх сколько угодно, но она не может падать ниже абсолютного нуля, положение которого впервые вычислил Кельвин и который соответствует -273° Цельсия. При абсолютном нуле все атомы и молекулы любого вещества находятся в покое и все вещества находятся в твердом состоянии [53] За исключением гелия. - Прим. ред. .