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

Поздравляю! Только что вы узнали почти все, о чем я рассказываю на шестинедельном вводном курсе по общей химии. Теперь вы можете рассказать мне о структуре атома и о формировании связей между ними. Вы умеете отличать ионные связи от ковалентных, а также объяснять механизм образования связи между молекулами. Способны сравнивать химические и физические изменения веществ. Наконец, вы понимаете, какие энергетические изменения происходят во время реакции и каковы различия между эндотермическими и экзотермическими процессами.

Вы закончили курс Chem 101, и я с нетерпением жду вас во второй части этой книги. У нас заложена хорошая база, и теперь мы можем обсудить более интересные вещи. Например, из чего состоит ваш утренний завтрак или что происходит на самом деле, когда вы моете голову шампунем. Вы сталкиваетесь с химией ежедневно, и мне кажется, вы будете удивлены тем, насколько часто ее используете. Итак, возьмите с собой фартук, потому что мы идем на кухню!

Часть II. Химия здесь, там и везде

5. Лучшая часть пробуждения. Завтрак

Вы уже знакомы с основными принципами химии, теперь я собираюсь провести вас через обычный – и слегка загруженный – день. Я расскажу о науке и приведу мои любимые примеры из реальной жизни. Помните: если вы забыли какой-то термин из первых глав, то обратитесь к глоссарию в конце книги. Итак, давайте с самого начала: завтрака.

Вы когда-нибудь слышали, как кто-то говорит, что весь день будет злой и раздражительный, если утром не выпьет чашку кофе? Может, этот «кто-то» вы сами? Или после чашечки эспрессо становится добрее ваш начальник? Существуют убедительные доказательства того, что кофе влияет на наше настроение. Знаете, с чем это связано? Дело в том, что у людей быстро развивается зависимость от кофеина, из-за чего они чувствуют себя раздраженными, если в их организме недостаточно молекул кофеина. Не волнуйтесь, я тоже страдаю от этого. Каждое. Утро.

Триметилксантин – или кофеин – белый порошок без запаха с горьким вкусом. В природе кофеин можно найти в кофейных зернах или в чайных листьях, поэтому мы очень редко встречаем его в виде порошка. При приеме кофеина внутрь он начинает действовать как психотропный препарат (то же самое воздействие на организм оказывает морфин или никотин), а это означает, что кофеин нарушает работу мозга, а также влияет на поведение человека. Некоторые психоактивные вещества могут просто изменять ваше настроение, однако особенно сильные способны даже оказать воздействие на ваше сознание. Кофеин – это «мягкое» вещество: он почти не влияет на центральную нервную систему (мозг и спинной мозг).

Но как это работает? Что происходит, когда кофеин попадает в человеческий организм? Как одна простая молекула может дать нам столько «энергии»? И почему это влияет на поведение людей?

Давайте начнем с основ. Кофеин имеет молекулярную формулу C8H10N4O2 и является производным пурина. Это значит, что молекула кофеина состоит из пятичленного кольца, соединенного с шестичленным кольцом. В каждом кольце содержится по два атома азота. (Под «пятичленным кольцом» я имею в виду то, что пять атомов углерода образуют круг. То же самое относится к шестичленному кольцу.)

Большую роль играет структура молекулы, ведь благодаря ей кофеин может связываться с определенными рецепторами в вашем мозгу. Обычно эти рецепторы соединяются с молекулой аденозина, которая содержится в организме человека. Но иногда рецепторы путаются, из-за чего они могут соединиться с молекулой кофеина. И это проблема, ведь аденозин используется для производства молекулы РНК, необходимой для жизни человека. К счастью, образованные между кофеином и рецепторами связи недолговечны, так что это практически не отражается на работе аденозина.

Когда аденозин соединяется с рецепторами в нашем мозгу, мы чувствуем сонливость и усталость. Следовательно, кофеин предотвращает возникновение сонливости, поскольку аденозин в этот момент не может соединиться с рецепторами. То есть кофеин просто блокирует вызывающие сонливость молекулы, а не «дает вам энергию».

Кофеин прямо как вышибала в ночном клубе, только он работает в вашем мозге.

Со временем у человека может развиться кофеинизм – состояние, возникающее после регулярного употребления 1–1,5 грамма кофеина в день на протяжении длительного времени. Подобных людей очень легко определить: они постоянно раздражены, у них повышенная тревожность и их часто беспокоят головные боли. Человек может получить передозировку, если он употребит более 10 грамм (или 10 000 мг) в день. Но, по правде говоря, вам придется постараться, чтобы ваш организм получил такую дозу кофеина. Вам придется выпить около пятидесяти чашек кофе или чуть больше двухсот банок диетической колы.

В чае и кофе содержится больше кофеина, чем в газированных напитках. В одной чашке кофе его примерно 100 мг, однако в определенных условиях (в зависимости от зерен и техники приготовления) содержание кофеина может достигать 174 мг. Весь процесс обработки и приготовления кофе очень увлекателен. Например, большую дозу кофеина можно получить в том случае, если вы пьете кофе из слабо обжаренных зерен, приготовленный в эспрессо-машине. Если вы используете капельный метод заваривания, то кофе с большим содержанием кофеина можно получить из сильно обжаренных зерен. В принципе, количество кофеина в одной кружке практически не зависит от степени обжарки зерен, ведь количество молекул вещества будет примерно одинаковым в любом кофе (кроме эспрессо).

Давайте разберемся, почему так происходит. Все зависит от процесса обжарки кофейных зерен. При их нагревании происходит эндотермический процесс (зерна поглощают энергию). Однако, когда температура достигает отметки 175°C (347°F), процесс становится экзотермическим. Это значит, что зерна поглотили так много тепла, что начали отдавать его обратно обжарочной машине. Когда это происходит, необходимо перенастроить оборудование, чтобы не пережарить зерна (у такого кофе вкус подгоревших зерен). Некоторые профессионалы по несколько раз обжаривают кофейные зерна при разных температурах (из-за чего эндотермический и экзотермический процессы многократно сменяют друг друга), добиваясь разных вкусов напитка.

Со временем обжаренные зерна меняют цвет с зеленого на желтый, а затем – на различные оттенки коричневого. От темноты зерен зависит обжарка; сильно обжаренные будут намного темнее слабо обжаренных зерен (сюрприз!). Цвет зерен зависит от температуры обжарки. Чтобы добиться слабой обжарки, зерна обрабатывают при температуре до 200°C (392°F), а чтобы добиться сильной обжарки – при температуре 225–245°C (437–473°F).

Но перед тем, как зерна начинают обжариваться, они должны слегка растрескаться. При температуре 196°C (385°F) раздается «первый треск». Во время этого процесса зерна поглощают тепло,