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

Уверена, человек, сказавший, что «ночь – это лучшее время», был химиком. Если честно, все самое интересное проходит в вечернее и ночное время. Свет, которым мы наслаждаемся на закате, удовольствие, которое мы испытываем после секса, и свеча, которую вы зажгли для создания атмосферы, – никто не будет отрицать, что ночь обладает особой энергией. И все это благодаря взаимодействию атомов и молекул.

Давайте начнем эту главу с одного из самых прекрасных чудес мира – с заката. Когда солнце уходит за горизонт, земля начинает остывать, поскольку накопившееся за день тепло постепенно рассеивается. Закат и правда поражает воображение: сначала немного темнеет. Если у вас получится выделить немного времени в середине лета, желательно, когда наступают самые длинные дни в году, вы можете увидеть одно из самых удивительных явлений природы: сумеречные лучи. Эти лучи возникают, когда свет отражается от парящих в воздухе частиц или молекул; создается впечатление, будто на Землю направлен огромный прожектор, свет которого пробивается через облака.

Помнится, впервые сумеречные лучи я увидела еще ребенком в коттедже моей семьи в Мичигане. У нас есть маленький домик у небольшого озера с песчаным пляжем; мой папа повесил старый гамак между величественными дубом и кленом. Лежа в гамаке, можно было почувствовать легкий прохладный ветерок, дующий с озера, и услышать шум прибоя. Это было настолько расслабляющее времяпровождение, что я всегда заставала кого-то из родственников отдыхающим на гамаке. Это походило на небольшой кусочек рая. И когда сквозь тучи пробивались сумеречные лучи, это тоже было похоже на рай.

Их также называют «лучи Будды» и «лестница Иакова». Темные и светлые потоки чередуются между собой, создавая причудливые узоры. И каждый уникален, поскольку его форма зависит от положения облаков, солнца и времени суток. Обычно сумеречные лучи можно увидеть вечером, во время наступления сумерек: солнце только-только зашло за горизонт, но часть лучей еще освещает Землю (то же самое случается на восходе, с первыми лучами). Свет падает на планету под определенным углом, благодаря чему можно наблюдать красивые закаты или восходы. Но как это работает?

Из прошлых глав мы знаем, что Солнце посылает на Землю электромагнитное излучение (ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи и видимый свет). Если молекула взаимодействует с магнитными или электрическими волнами, атомы либо блокируют свет, либо искажают его. Но с приближением вечера тени, отбрасываемые облаками и горами, падают параллельно лучам света – вы могли замечать это на примере собственной тени: чем ближе вечер, тем длиннее тень. По правде говоря, если бы вы посмотрели на всю эту картину сверху (например, если бы были астронавтом), то сначала вы бы обратили внимание на черные тени. Однако здесь, на Земле, мы можем видеть только то, как солнечные лучи пробиваются сквозь облака.

Именно поэтому астронавты Международной космической станции (МКС) сделали несколько снимков, чтобы показать нам, людям на Земле, как лучи освещают облака, отбрасывая на землю параллельные тени. Снимки вышли четкими и аккуратными, и на них видно, что у облаков словно есть пылевой хвост, как и у комет.

Как я уже говорила ранее, такие лучи могут образоваться только в случае, если солнечный свет будет рассеиваться небольшими молекулами (например, молекулами азота, кислорода или углекислого газа) и загрязнителями (например, собачьей шерстью, пылью или выхлопными газами), которые обычно находятся в нашей атмосфере. Как и следовало ожидать, в городах с высокой плотностью населения загрязняющих частиц намного больше, чем в городах с низкой плотностью населения; именно поэтому городские жители (вроде меня) считают, что деревенский воздух намного чище. Дело в том, что в деревенском воздухе просто содержится меньше молекул пыли, от которых мои легкие должны очищать кислород.

Когда солнечные лучи проходят через облака под малым углом в тропосфере (самый низкий из слоев атмосферы), траектория света пролегает через вещество в воздухе, из-за чего появляется оптическое явление. На наше счастье, это очень похоже на химию, которую мы обсуждали в «пляжной» главе. Физики используют термин «оптическое явление» для описания всех химических взаимодействий, происходящих в атмосфере. Глупые физики.

Явления вроде радуги, миража или сумеречного луча были объединены в категорию взаимодействий света и материи, которые можно наблюдать невооруженным глазом. Отражение и преломление света также относится к этой категории, и благодаря им мы может видеть поражающие воображение восходы и закаты; давайте немного поговорим о них.

Оптические явления происходят тогда, когда молекулы в атмосфере подвергаются воздействию света с низкой энергией, например инфракрасного излучения (инфракрасное излучение – это самый слабый тип энергии, получаемой от Солнца). Несмотря на то, что инфракрасное излучение считается слабым, мы получаем его в ОГРОМНОМ количестве: оно превышает количество ультрафиолетового излучения в семь раз. К счастью, инфракрасное излучение недостаточно сильное, чтобы вызвать рак кожи (в отличие от ультрафиолетового).

Я уже рассказывала о том, что инфракрасное излучение было открыто в 1800 году Уильямом Гершелем. Думаю, теперь вы поймете происходящую там химию (в конце концов, это последняя глава книги). Если кто-то вдруг забыл, это открытие было сделано еще до того, как ученые обнаружили, что свет имеет форму частиц и представляет собой волну. Однако в данном случае форма волны очень важна. Инфракрасное изучение слишком большое и поэтому не опасно для человека, но в то же время оно довольно маленькое: длина волны составляет от 740 нм до 1 мм. Представьте острие иглы – вот такая по размеру волна у этого излучения. И поскольку этот тип энергии невидим для человеческого глаза, для обнаружения его теплового эффекта Гершелю пришлось использовать термометр и призму.

И хотя мы не замечаем этот свет без прибора ночного видения, мы можем почувствовать его в виде тела. Как я уже упоминала в главе про выпечку, энергия инфракрасного излучения представляет собой обычную тепловую энергию; именно поэтому мы используем ее в наших духовках.

Как и при выпечке, когда молекулы взаимодействуют с инфракрасным излучением, они поглощают энергию и начинают вибрировать. Если кто-то, например, внезапно обольет вас водой, вы подпрыгнете от неожиданности. Именно это и происходит с некоторыми молекулами, которые взаимодействуют с инфракрасным излучением. Они поглощают излучение (в нашем примере это вода), а потом вибрируют (подпрыгивают) из-за избытка энергии, которую только что поглотили.

Некоторые молекулы, например углекислый газ и метан, при взаимодействии с инфракрасным излучением реагируют одинаково. Они вибрируют, а потом происходит что-то удивительное.

В отличие от того, что мы обсуждали ранее про УФ-излучение, когда эти молекулы взаимодействуют со светом более низкой энергии, например с инфракрасным, они могут начать излучать энергию обратно в атмосферу, но в другом направлении. Благодаря этому на нашей планете поддерживается температура, подходящая для выживания человека.

Давайте снова обратимся к примеру с водой. Если кто-то внезапно направит на вас струю воды, то вы, я уверена, отпрыгнете в сторону и вздрогнете. В этот момент вы, вероятно, повернетесь на 10° или 20°, а может, и на все 180° – точно так же себя ведут и молекулы при поглощении инфракрасного излучения.

Новая энергия (вода из шланга) заставляет молекулы вибрировать (подпрыгивать), из-за чего они меняют свою ориентацию в пространстве. Когда молекулы прекратят реагировать на внезапное появление инфракрасного излучения (воды), то начнут излучать энергию в противоположном направлении.

Частицы пыли могут удерживать эту энергию в течение короткого времени, после чего начнут излучать ее обратно в атмосферу. Повторное изучение света будет идти по другой траектории, и если это происходит в идеальных условиях (к примеру, в сумерках), то мы сможем наблюдать лучи солнца, освещающие одно место Земли.

Сумеречные лучи обычно представляют собой белый свет. Он кажется нам бесцветным, поскольку в нем сочетаются все цвета в видимом спектре (если вам кажется это нелогичным, проведите эксперимент: просто направьте призму на солнечный свет, и вы увидите, что он расщепится на все цвета радуги).

Мы используем термин «белый свет» как общий для всего света в области электромагнитного спектра, имеющего диапазон длин волн от 380 до 740 нм. Эта область называется видимой областью, так как ее можно увидеть человеческим глазом. Например, в любом красящем веществе есть часть молекулы, которую наши глаза принимают за определенный цвет. Эта часть молекулы называется хромофором, и она способна поглощать свет любой волны, кроме одной.

Наверное, вы понимаете меня, если часто посещаете окулиста (как это делаю я). В наших глазах есть молекула, в которой также содержится хромофор. Такой молекулой является ретиналь (форма витамина А), и эта прекрасная молекула помогает нам видеть. Когда свет падает на сетчатку глаза, то молекулы сетчатки начинают реагировать, переходя из цис- в транс-конформацию, выпрямляясь. (Не забывайте, что цис-конфигурация образуется, когда атомы располагаются на одной стороны связи, а трансконфигурация образуется, когда атомы располагаются на разных сторонах связи.) Такое передвижение оказывает давление на белок опсин в сетчатке глаза, и запускается процесс, в ходе которого у нашего мозга получается обрабатывать изображения вещей вокруг.

Каждое из этих взаимодействий между сетчаткой и белком реагирует на свет с разной длиной волн. Если длина волны света от 625 до 740 нм, то наши глаза воспринимают его как красный. Волны покороче (590–625 нм) – это оранжевый цвет, затем желтый (565 нм), зеленый (500 нм), голубой (485 нм), синий (450 нм) и фиолетовый (380 нм). Фиолетовый свет обладает наибольшей энергией в видимом спектре, так что длина его волн относительно невелика.

Но если белый свет содержит все цвета видимого света, то почему на закате мы видим комбинации розового, красного и иногда оранжевого цветов?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны держать в голове, что длина волны обратно пропорциональна энергии. Световые лучи с длинными волнами будут слабее лучей с короткими. Волны синего света намного сильнее/короче волн красного света, так что они будут рассеиваться интенсивнее.

Давайте проведем аналогию. Представьте, что световые лучи со всеми длинами волн – это попрыгунчики. Мы собираемся с духом и кидаем его на старую кирпичную дорогу. Давайте предположим, что вам нужно сильно постараться, чтобы кинуть синий попрыгунчик (для обозначения синего света) на неровную поверхность. Как и предполагалось, мяч отскочит обратно, но под другим углом и с высокой скоростью.

Теперь давайте аккуратно подбросим красный попрыгунчик (для обозначения красного света). На этот раз вы не вкладываете много сил, поскольку красный свет слабый. Как и синий попрыгунчик, красный изменит свое направление, однако его скорость будет гораздо ниже.

А теперь давайте подумаем над тем, что случится, если мы кинем на дорогу несколько красных и синих попрыгунчиков. Одновременно. В данном случае у синих попрыгунчиков будет больше энергии, чем у красных, и они будут постоянно прыгать из стороны в сторону. В основном человеческий глаз будет замечать синие попрыгунчики, летающие туда-сюда, с небольшими оттенками красного. Такое происходим днем – именно поэтому небо имеет голубой цвет.

Во время заката солнце находится низко над горизонтом, и лучам света нужно преодолеть большое расстояние, прежде чем они достигнут нас. В таком случае солнечный свет взаимодействует с большим количеством молекул, и это приводит к тому, что небо окрашивается в красивые оттенки оранжевого и красного.

Вот что происходит: помните ли вы, что кислород и озон поглощают ультрафиолетовое излучение В и С, разрывая свои связи? Однако ультрафиолетовое излучение А может просочиться, так как оно слишком слабое и не может разрушить ковалентные связи в кислородсодержащих молекулах. То же самое происходит с видимым светом.

Энергия синих и фиолетовых волн очень высока, чтобы они рассеивались такими молекулами, как азот или кислород. Эти волны поглощаются молекулами, а затем молекулы повторно излучают энергию обратно к Солнцу. Оранжевые и красные волны слишком слабы, так что их нельзя поглотить; именно поэтому оранжевые, красные и розовые цвета просто плавают в воздухе, создавая красивые закаты.