Краткая история науки

Некоторые элементы просто не вступали в реакцию с другими вне зависимости от ваших усилий. Другие, наоборот, реагировали при соединении столь бурно, что возникала опасность взрыва. Иногда тем не менее вы получали реакцию по собственной воле, помогая ей начаться. Кислород и водород можно поместить в емкость, и ничего не будет. Если же туда попадет искра, то только держись, но, несмотря на драматический эффект, в конечном счете появится банальная вода.

С другой стороны, если магний и углерод поместить в сосуд, где не будет воздуха, можно нагревать их вечно, и ничего не произойдет. Добавьте хоть глоточек атмосферы, и вы получите яркую вспышку и огромное количество тепла.

Химики понемногу узнавали больше и больше о самых разных реакциях и все сильнее и сильнее интересовались их причинами и шаблонами, обнаруженными в лабораториях. Все эксперименты ученые разделили на две большие группы: синтез и анализ. Синтез – это соединение элементов, вы начинаете с простых элементов или веществ, потом они вступают в реакцию, и вы смотрите, что получается в итоге. Анализ – нечто противоположное: вы начинаете со сложного соединения и пытаетесь неким образом разложить его на составляющие, чтобы потом, изучая, что получилось, узнать свойства исходного вещества.

Эти методы позволили ученым понять, из чего состоят многие простые соединения. С другой стороны, они научились создавать более сложные, комбинируя новые и новые элементы.

Но все эти опыты сделали очевидными две простые истины.

Во-первых, как мы уже видели, элементы сами по себе могут быть положительными либо отрицательными. А как говорили древние – противоположности притягиваются. Например, натрий, положительный от природы элемент, легко комбинирует с отрицательным хлором, чтобы получился хлорид натрия (это обычная соль, которая есть на любом столе). Положительный и отрицательный заряды взаимно уничтожают друг друга, так что соль нейтральна.

Все стабильные соединения (такие, которые не меняются, если не прилагать специальных усилий) нейтральны, пусть даже они состоят из элементов, обладающих разным зарядом. Так, поваренная соль является отличным примером такого синтеза. Ничего сложного нет в том, чтобы провести химический анализ этого вещества – растворите соль в воде, поместите раствор в электрическое поле с его положительным и отрицательным полюсами, и она распадется.

Натрий отправится к отрицательному полюсу, хлор потечет к положительному.

Сотни экспериментов такого рода убедили химиков, что атомы любого элемента обладают либо отрицательным, либо положительным зарядом. И эта характеристика играет важнейшую роль в том, что случается, когда один элемент реагирует с другим.

Во-вторых, иногда группы атомов «слипаются» в процессе эксперимента, и эти группы в дальнейшем действуют как единое целое. Объединения атомов назвали «радикалами», и они тоже бывают заряжены положительно или отрицательно. Подобные штуковины сыграли особенно важную роль в органической химии, когда ученые начали изучать целые серии взаимосвязанных соединений (все они содержат углерод), таких как эфиры, спирты или бензолы. Это удивительные виды соединений, в основе каждого лежит кольцевидная структура атомов.

Многие химики активно взялись за классификацию этих соединений, пытаясь понять, из чего они состоят и как вступают в реакции – и не в последнюю очередь потому, что упомянутые вещества оказались нужны для промышленности. Постепенно такие промышленные химикалии начали изготавливать не в лабораториях, а прямо на заводах. Вырос спрос на удобрения, краски, лекарства, пигменты и, в особенности после 1850-х, на нефтепродукты.

Тогда зародилась современная химическая индустрия, и химия стала профессией, а не просто увлечением любопытных богачей.

Элементы тоже обладают уникальными химическими и физическими свойствами. По мере того как их открывали больше и больше, химики находили определенные шаблоны. Все выглядело так, словно отдельные атомы некоторых элементов, такие как водород, натрий или хлор, только и ждут, чтобы соединиться с другим одиночным атомом. Например, один атом водорода и один хлора в комбинации создают соляную кислоту (HCl). Одиночные атомы других, таких как кислород, барий или магний, обладали удвоенной емкостью для соединения с другими атомами или радикалами: так, требуется два атома водорода и один кислорода, чтобы получилась вода.

Третьи элементы выглядели еще более гибкими, и всегда появлялись исключения, не позволявшие установить четкие правила. Элементы (и радикалы) также различались по своей готовности вступать в химические реакции, фосфор был столь активен, что с ним требовалось особое обращение, кремний, наоборот, ни на что не реагировал и выглядел безопасным.