Александр Никонов. Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Копоть, сажа, уголь – это и есть углерод практически в чистом виде. Черное пачкающее вещество. Правда, сегодня городскому жителю углерод чаще всего встречается в виде графита, то есть в виде грифеля в простом карандаше. Это тоже пачкающее, мягкое серочерное вещество. Здесь его пачкающие свойства применяют с пользой – чтобы оставлять следы на бумаге.

Однако есть и другие формы существования углерода – совершенно не черные, не пачкающие и не мягкие, а совсем даже напротив – прозрачные и очень твердые. Такая форма существования углерода называется алмазом. Если грифель растирается в пыль руками, то алмаз – самое твердое вещество на Земле. И кто скажет, что он пачкается? Он прекрасен! Это вам любая женщина подтвердит.

Но каков фокус! С одной стороны – нечто черное, непрозрачное, проводящее электрический ток и очень мягкое. С другой – бесцветный, прозрачный, невероятно твердый изолятор (материал, не проводящий ток). И это все – одно и то же вещество!

Почему?

Фазовый переход, друзья мои! При определенных (очень высоких) температурах и давлениях графит превращается в алмаз. Химически он остается все тем же веществом, но его физические свойства, как видите, меняются кардинально. А все изза того, что перестраивается кристаллическая решетка.

Так упакованы атомы в графите

А так они располагаются в алмазе

Однако при прямо противоположных физических свойствах своих химических «привычек» алмаз не лишился. Он точно так же может прореагировать с кислородом (О) и полностью окислиться, то есть сгореть без остатка, целиком превратившись в углекислый газ (СО₂).

Углерод – один из важнейших для жизни элементов. Собственно, жизнь из него и «сделана». Этот элемент обладает чудесным свойством выстраивать сам с собой, а также с другими элементами длинные молекулы, именуемые полимерами. Из таких длинных атомных цепочек и строится вся органика, то есть, грубо говоря, «живое вещество».

Азот (N), стоящий в таблице Менделеева правее углерода, – это газ. И соседний кислород (O) тоже газ. И фтор (F) – газ. А вот более легкий, чем эти трое, углерод – почемуто представляет собой твердое вещество. Почему? Потому что он, в отличие от кислорода, азота и фтора, не образует легких молекул из двух атомов, типа О₂, N₂ и F₂. Сила связи между атомами кислорода в одной молекуле кислорода О₂ велика, а между разными молекулами кислорода слаба – вот они и разлетаются в разные стороны. Зато в алмазе, например, все атомы углерода связаны друг с другом одинаково крепко – в один сплошной полимер. Можно сказать, что кристалл алмаза – это одна сверхгигантская молекула. И конечно, такая сверхтяжелая «молекула» газом быть никак не может.

Тот раздел химии, который изучает углеродные полимеры, называется органической химией. Углеродные цепочки – тот «скелет», на котором строятся молекулы жизни.

Круговорот углерода в природе прост – животные дышат кислородом, а выдыхают углекислый газ (СО₂), связывая таким образом углерод. Растения же, напротив, дышат углекислым газом, выдыхая в атмосферу кислород, а высвобожденный углерод пускают на строительство своего «тела» – ствола, листьев, корней. Потом растения поедаются животными, и углерод, как главный строительный материал всего живого, поступает в их тела.

В человеке массой 70 кг содержится 15 кг углерода. Больше, чем углерода, в организме человека только кислорода – почти 45 кг. А водорода – 6 кг. При этом атомов водорода в штуках почти в два раза больше, чем атомов кислорода, просто водород очень легкий. Водород и кислород присутствуют в нашем организме в основном в виде воды, из который человек состоит на 70 %. Человек, по сути, это водный пузырь, армированный костями. Точнее, миллиарды микроскопических водяных пузыриков, именуемых клетками. Все жизненные реакции внутри нас идут в водном растворе.

Фтор – F (9 p⁺, 10 n, 9 e)

Это, пожалуй, самый агрессивный элемент из существующих, стремящийся прореагировать со всем, что попадается ему «под руку». Фтор находится в правом верхнем углу таблицы Менделеева, что уже говорит о многом. Это практически полюс системы элементов, самая ее крайность.

Мы привыкли тушить огонь водой, потому что вода негорюча. Но в атмосфере фтора горит даже вода, высвобождая кислород и образуя фторид водорода (HF). Если этот фторид растворить в воде, то получится плавиковая кислота – самая агрессивная кислота из известных нам. Обычную кислоту (серную, соляную и пр.) можно хранить в стеклянных сосудах. А плавиковая разъедает даже стекло, поэтому ее хранят в специальных фторопластовых емкостях.

Если в атмосферу фтора бросить кремний или уголь, то их даже поджигать будет не надо – сами воспламенятся, настолько хочется фтору с чемнибудь пореагировать! Не зря его так назвали: «фтор», что в переводе с греческого означает «разрушающий». Опасная штука! В атмосфере фтора горят и кирпич, и асбест, и многие металлы.