Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

И только в 1600-х годах французский философ Рене Декарт предположил, что свет похож на волну. В то время Леонардо да Винчи уже выяснил, что звук распространяется волнами; поэтому Декарт логично предположил, что свет может распространяться подобным образом. Одна эта идея полностью изменила наше представление о всех атомных элементах, включая протоны, электроны и нейтроны, а также их способности одновременно существовать и в форме частиц, и в форме волн.

Когда я говорю о волнах, пожалуйста, представляйте океанскую волну. Волна всегда исходит от какого-то источника энергии (например, гидроцикла или лодки), а затем распространяется по воде, пока не достигнет земли или не обойдет остров. Если мы говорим о звуковых волнах, это значит, что они могут огибать препятствия (к примеру, стены), так как мы можем слышать таймер духовки на кухне, находясь в другой комнате. Человеку не нужно видеть таймер или находиться рядом с ним, чтобы услышать его сигнал.

Теория того, что свет распространяется как волна, имела какой-то вес, потому что объясняла, почему свет проходит через разные жидкости с разной скоростью. Но если бы свет вел себя как звук, то он точно так же должен был бы огибать препятствия на своем пути. Главная проблема этой теории заключалась в том, что мы не сможем увидеть луч фонарика через кирпичную стену. Несмотря на то, что свет частично вел себя как волна, ученые понимали, что волновая теория не совсем подходит для объяснения света.

Всего несколько лет спустя английский физик Исаак Ньютон посмертно опубликовал работу малоизвестного французского философа, в которой рассматривались недостатки волновой теории света. Этот философ, Пьер Гассенди, утверждал, что свет больше похож на частицу, чем на волну, ведь он ведет себя как предмет с массой. В некотором смысле его догадки оказались правдивы – и это стало основной того, что сейчас мы называем фотоном, – однако данная теория также имела и ряд недостатков.

Если свет представлял собой частицу, то логично было бы предположить, что стена не будет пропускать все формы света. Ведь стена останавливает все, что имеет массу, например бейсбольный мяч. Мы не можем подкинуть мяч и ждать, когда он пройдет сквозь стену; то же самое касается и света, поскольку он не может проходить сквозь препятствия или огибать их. Да, с какой-то стороны эти суждения кажутся правдой; но это совершенно не объясняет преломления света, из-за которого получается радуга, или то, как свет, к примеру, огибает края двери. Если бы свет состоял из тысяч крошечных частиц, движущихся по прямой, такие явления были бы невозможны.

Чтобы не растягивать и так длинную и запутанную историю, давайте перенесемся в 1920-е годы, когда французский физик Луи де Бройль предположил, что вся материя обладает свойствами волн и частиц. Именно так люди узнали о корпускулярно-волновом дуализме.

Корпускулярно-волновой дуализм – это один из фундаментальных принципов химии, так как с его помощью можно объяснить, почему в определенных условиях частицы (например, протоны, нейтроны и электроны) действуют как волны. Мы можем использовать «волновую механику» для предсказания расположения электронов в атоме или молекуле и из полученной информации узнать все, что необходимо знать о солнечном свете.

Помните, в первой части книги мы рассматривали атомные орбитали? Все s, p, d и f-орбитали выводятся из одного уравнения (уравнения Шрёдингера), полученного из корпускулярно-волнового дуализма. По правде говоря, при решении данного уравнения у вас получится число (строка в периодической таблице) и буква (орбиталь) для определенного электрона. Это был первый раз, когда ученые практически точно смогли определить энергию электрона и его положение относительно ядра. А все благодаря нашему дорогому другу, австрийско-ирландскому физику Эрену Шрёдингеру.

Теория корпускулярно-волнового дуализма применялась не только к материи, она казалась вполне подходящей для объяснения упомянутых выше свойств солнечного света.

Ученые выяснили, что свет на Земле (в том числе и на пляже) исходит от солнца в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение – это общий термин, обозначающий любую форму энергии, перемещающуюся (или излучающуюся) в электромагнитном поле. Энергия в пространстве движется в виде двух перпендикулярных волн (электрической и магнитной); отсюда и произошло название «электромагнитное» излучение.

Поскольку электромагнитное излучение – один из основных принципов химии, я хочу рассмотреть эту тему чуть подробнее. Если определенный тип света распространяется слева направо, то электрическая и магнитная волны тоже должны распространяться слева направо. Давайте предположим, что электрическое поле движется по канату слева направо. Следовательно, магнитное поле тоже будет двигаться слева направо, но только в другом направлении. Если электрическое поле будет двигаться по канату горизонтально, то магнитное поле будет двигаться вертикально (в виде вертикальной волны), так что положение магнитного поля относительно каната будет постоянно меняться: сначала оно будет выше каната, затем ниже, а затем снова выше. Когда два поля движутся одновременно, свет может проходить через нашу атмосферу. Если молекула взаимодействует с электрическими или магнитными волнами, атомы либо не пропускают свет, либо искажают его.

Квантовая механика – наука о субатомных частицах – может привести в огромное замешательство и запутать, именно поэтому я прошу вас сосредоточиться на одном: существует огромное количество электромагнитный энергий, известных как свет! Ученые объединили весь свет в спектр (электромагнитный спектр), где он распределен по длине волн. На одном конце спектра располагаются радиоволны со сверхдлинными волнами, достигающими размера целого здания. Несмотря на такую длину волн, у нее очень маленькая энергия. Радиоволны не в состоянии навредить нашему здоровью, так что мы можем спокойно использовать их как для Wi-Fi, так и для Bluetooth.

На другом конце спектра располагается гамма-излучение со сверхкороткими волнами и высокой энергией. Размер этих волн можно сравнить с размером атомного ядра – они очень маленькие. Но это излучение очень опасно для человека, и оно может нанести серьезный вред нашему телу и внутренним органам. Именно поэтому высококонцентрированные пучки гамма-излучения используются (с большой осторожностью) для уничтожения раковых клеток.

Однако, как и в сказке «Три медведя», есть идеальная золотая середина, где волны имеют средний размер и среднюю энергию. Электромагнитные волны располагаются в середине спектра – именно они обладают средней длиной волны и средней энергией (относительно радиоволн и гамма-излучения).

Эти волны соответствуют трем типам энергии, получаемой поверхностью земли от солнца: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное. Мы уже сталкивались с видимым светом, когда обсуждали красители и ткани, а также мы знаем об инфракрасной энергии, излучаемой кухонной плитой. Именно поэтому сейчас я хочу остановиться на самой опасной энергии – энергии ультрафиолетового излучения (УФ-излучение) – и объяснить, почему, отдыхая на пляже, необходимо пользоваться солнцезащитным кремом.

Ультрафиолетовое излучение – это самая высокая энергия, которую Земля получает от Солнца. Впервые УФ-излучение было обнаружено в 1801 году после того, как немецко-британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасные волны (волны ИК). Гершель доказал, что энергия может излучаться от волн, размер которых превышает длину волны видимого света; именно поэтому немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер задумался над тем, существует ли «невидимая» энергия, длина волн которой будет меньше длины волны видимого света.

Риттер решил поэкспериментировать с фиолетовым светом (свет с самой большой энергией, который может видеть наш глаз) и, как позже стало известно, с ультрафиолетовым светом. Он заметил, что пропитанная раствором хлорида серебра бумага становится темнее, когда на нее направлен «невидимыый» ультрафиолетовый свет. Все из-за того, что ультрафиолетовый свет вступал в реакцию с раствором и практически сразу менял его цвет.

Поскольку в то время именно фиолетовый свет был светом с самой высокой энергией, Риттер понял, что столкнулся с чем-то интересным.

Волны УФ-излучения, в то время называвшиеся химическими лучами, примерно с молекулу. Несмотря на их крошечный размер, они обладают огромной энергией. Например, еще в 1878 году ученые догадались, что УФ-излучение можно использовать для уничтожения бактерий. Тогда это излучение начали использовать для стерилизации вещей, в том числе и медицинского оборудования. Данный способ стерилизации используется и в наше время. По правде говоря, в 2020 году научное сообщество выдохнуло с облегчением, когда узнало, что с помощью УФ-излучения можно бороться с COVID-19.

Существует несколько подгрупп УФ-излучения (ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С). Главное различие УФ заключается в длине волны. УФ-А – самое слабое излучение и с длиной волны от 315 до 400 нанометров (нм). Так как УФ-А обладает самой большой длиной волны, его иногда называют длинноволновым излучением. Чаще всего данное излучение используется в лампах черного света. Несмотря на то, что этот свет не очень яркий, его волны обладают очень высокой энергией. Именно поэтому вы никогда не должны смотреть прямо на источник света (или на солнце). И именно поэтому не следует лежать голышом под источником УФ-А, например, в солярии (но мы поговорим об этом чуть позже).

Когда длина волны уменьшается до 280–315 нм, мы переходим к другой подгруппе, называемой ультрафиолетом В. Энергия УФ-В выше, чем у УФ-А; данное излучение можно использовать для лечения кожных заболеваний, например, псориаза и витилиго. В ходе лечения не получится избавиться от всех симптомов, однако их можно будет облегчить.

Люди, держащие в качестве домашних питомцев ящериц или черепах, очень часто в террариумы ставят УФ-лампы, называющиеся лампами для баскинга. УФ-лампы гарантируют, что эти милые питомцы будут жить в уютных и комфортных условиях. Хладнокровные животные, такие как рептилии и амфибии, получают много пользы от УФ-излучения в террариуме, так как их тела могут поглощать энергию из окружающей среды. Очень интересно наблюдать за тем, как эти очаровательные существа часами греются под лампами.

Оказывается, людям тоже нужно греться под солнцем. У всех людей в коже есть холестерин – это молекула, состоящая из четырех соединенных между собой колец (три шестичленных кольца и одно пятичленное). Холестерин реагирует с высокой энергией УФ-излучения и образует витамин D₃ – холекальциферол.

Когда люди не получают достаточное количество солнечного света (и витамина D), у них может развиться дефицит; организм такого человека не может усваивать кальций, из-за чего страдают кости (они становятся хрупкими и слабыми). В конце концов дефицит витамина D приводит к переломам. Именно поэтому важно выходить на улицу хотя бы на несколько минут в день. Нужно совсем немного времени на то, чтобы ультрафиолетовое излучение расщепило холестерин в вашей коже и превратило его в витамин D.

Последняя подгруппа УФ-излучения – ультрафиолет С (УФ-С) с длиной волн от 100 до 280 нм. Он обладает короткими волнами с чрезвычайно высокой энергией; в 1878 году ученые обнаружили у такого излучения обеззараживающие свойства.

УФ-излучение может не только убивать микробы и бактерии, но также и нанести огромный вред человеческому организму. По правде говоря, более 90 % случаев возникновения рака кожи вызваны УФ-излучением. «Химические лучи» настолько сильны, что проникают в кожу и разрывают связи внутри молекул. Мы называем это диссоциацией связей (процесс соответствует своему названию: связи разрываются и вызывают диссоциацию атомов).

Когда молекулы в вашем теле разрушаются, то освобожденные атомы начинают искать новые пары; к сожалению, чаще всего эти приводит к образованию нежелательных связей. Если связь образуется в неправильной части молекулы или в неправильной части тела, то могут возникнуть раковые клетки.

Хорошая новость: мы можем предотвратить появление рака кожи, просто используя густой крем, называемый солнцезащитным. Этот крем поглощает как УФ-А, так и УФ-В излучение. А что насчет самого опасного излучения – УФ-С?

Чтобы ответить на этот вопрос, позвольте мне рассказать о том, как работает наша атмосфера, а также о ее важных элементах. Кислород, которым мы дышим, находится в слое воздуха, называемом тропосферой. Тропосфера – это первый слой атмосферы Земли. В основном она состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и воды – о всех этих веществах я уже рассказывала в первой части.

Следующий слой атмосферы – стратосфера, это область, под которой парят облака. Когда мы летим на самолете, мы летим именно в стратосфере: так мы избегаем турбулентности, которая вызывается молекулами в нижнем слое тропосферы. В стратосфере намного меньше молекул, поэтому пилотам не нужно сильно беспокоиться о перепадах давления воздуха, вызывающих турбулентность.