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.
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.