Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

Когда я на лекциях рассказываю студентам о газах, мне нравится для наглядности использовать воздушные шары, наполненные один аргоном, а другой гелием: так я демонстрирую, какое значение имеет плотность газов. Я держу шарик с аргоном и подбрасываю его. Воздушный шар сразу же падает на пол, потому что аргон тяжелее воздуха. Затем я подбрасываю шарик с гелием, и он сразу же улетает к потолку. Это все, что вам нужно знать о плотности газа.

Чем плотнее газ, тем больше молекул сгруппировано в определенном объеме. Пример: представим, что белье – это молекула; тогда корзина для белья какого-нибудь студента будет «плотной», потому что доверху набита грязным бельем. С другой стороны, у Мари Кондо[5] была бы «менее плотная» корзина для белья, так как она оставляет только ту одежду, которая вызывает у нее подлинную радость (и потому, что она лучше следит за своими грязными вещами, чем студенты).

Менее плотные газы, например водород или гелий, поднимаются вверх, так как они легче воздуха. Такие газы идеально подходят для воздушных шаров, о которых мы говорили выше. Как вы уже поняли, чтобы воздушный шар не улетел, его нужно привязать к чему-нибудь или утяжелить.

Но как газ вроде гелия может менять свое состояние? Переходить из газообразной формы в жидкую или из жидкой в твердую? Такие переходы, которые вы, возможно, когда-то изучали в школе, происходят вокруг нас каждый день. Таяние, испарение, конденсация или заморозка – это процессы, происходящие из-за изменения расстояния между молекулами в определенном веществе.

Один из простейших переходов – это таяние. Не знаю, как вы, а я узнала о нем еще в раннем возрасте. Когда я была на улице и ела мороженое, то лучи раскаленного солнца топили его, и оно стекало по моей руке. Отстойное знакомство с одним из основных превращений в химии. Самое смешное, что термин «таяние» не совсем подходит для такой науки. Техническим термином считается «плавление», но его практически не используют. Когда мороженое тает, расстояние между молекулами увеличивается, из-за чего твердое вещество превращается в жидкость. Итак, если молекулы в твердом теле находятся на расстоянии одной мили друг от друга (в данном примере я специально использую большие числа), то в жидкости они будут находиться на расстоянии пяти миль. На самом деле в твердых телах молекулы находятся на расстоянии примерно 10–10 метров друг от друга, но мне кажется, что такое число будет слишком сложно представить.

Важно помнить один факт: после фазового перехода молекулы остаются точно теми же молекулами. Атомы и расстояние между атомами не изменилось, хотя молекулы друг от друга отдалились. Но как это происходит? Все просто: нужен источник энергии, в качестве которого обычно выступает тепло. Если мы изменим температуру окружающей среды, то молекулы начнут двигаться быстрее (если температура увеличится) или будут двигаться медленнее (если температура уменьшится). Как вы скоро узнаете, температура также влияет на расстояние между молекулами.

И если вы вспомните мой пример с мороженым, то все сразу станет понятным и логичным. Чтобы мороженое растаяло, требуется внешний источник тепла. Например, если я решу съесть мороженое в Техасе, то оно начнет таять спустя несколько минут. Тепла, исходящего от молекул в воздухе, достаточно для того, чтобы молекулы мороженого начали активно двигаться; в конце концов расстояние между ними увеличится. Иначе говоря, при таянии мороженого происходит плавление.

Наилучший пример плавления – первый шаг в приготовлении брецелей в шоколаде. Когда я готовлю их дома, то кладу шоколад в чашку и ставлю ее над кастрюлей с кипящей водой. Такая конструкция позволяет теплу от пара передаваться шоколаду через дно чашки. Молекулы шоколада начинают двигаться, из-за чего расстояние между ними увеличивается. Я могу точно определить, когда это произошло, ведь вижу таяние шоколада своими глазами.

Когда я убираю чашку с растопленным шоколадом с кастрюли, то наблюдаю еще один физический процесс. Из-за тепла вода в кастрюле кипит: жидкая вода превращается в пар. По мере того, как она переходит в другое состояние, пространство между молекулами воды увеличивается. Если молекулы в твердом теле и жидкостях находятся на расстоянии одной и пяти миль друг от друга соответственно, то молекулы газа – примерно в пятидесяти милях. И опять же важное уточнение: молекулы никак не изменились, но изменилось расстояние между ними. Мы уже знаем, что у газа нет постоянного объема или формы, поэтому молекулы пара поднимаются в воздух и «исчезают».

Процесс превращения воды в пар называется кипением с последующим парообразованием, хотя многие ошибочно называют его испарением. Весьма распространенное заблуждение, поэтому давайте рассмотрим, чем эти процессы отличаются. Как и при синтезе, при кипении расстояние между молекулами увеличивается; значит, для этого процесса необходимо тепло. Он происходит в тот момент, когда жидкость начинает кипеть – то есть превращаться в газ.

При испарении жидкость превращается в газ без использования дополнительного тепла. Этот процесс происходит при температуре ниже точки кипения жидкости. Например, за ночь испаряется часть воды в вашем стакане или пот с вашего тела. Для этого не нужна горелка или другой источник тепла: молекулы обладают достаточной энергией, чтобы жидкость превратилась в газ самостоятельно. И наоборот, кипящей воде нужно больше энергии, чтобы изменить свое состояние.

Так или иначе, мы можем превратить воду в газ только одним способом: нам нужно увеличить расстояние между молекулами жидкости. Те из вас, кто занимается выпечкой, сейчас узнали, что происходит с водой при топлении шоколада. Но сталкивались ли вы с тем, что на поверхности шоколада появляются небольшие надоедливые пузырьки? Если да, то поздравляю: вы наблюдали еще один физический процесс, называемый конденсацией.

Когда молекулы воды конденсируются, гладкая поверхность шоколада покрывается небольшими «пузырьками». Во время этого процесса газообразные молекулы воды (то есть пар) превращаются в жидкие и нарушают текстуру шоколада. Тоже самое происходит с бокалом напитка в жаркий день: на стенках образуются капли воды.

Конденсация и испарение – это два одинаковых, но ровно противоположных процесса. Похоже на мою поездку на работу: расстояние и затраченное время постоянно одни и те же. Я еду десять минут до работы и потом десять минут до дома. Но при этом направление, в котором я двигаюсь, отличается. То же самое происходит и с этими двумя процессами: при испарении расстояние между молекулами увеличивается, а при конденсации уменьшается. Газ превращается в жидкость, а соседние молекулы начинают притягиваться друг к другу.

Жидкости могут также превращаться в твердые тела, не меняя при этом своего химического состава. Этот процесс называется замерзанием. Когда