От фазы к фазе

Мало что подолгу остается неизменным. Химики говорят о фазовых переходах в материи; если сказать проще - вещества меняются. Материя может принимать множество разных обличий, и помимо привычных твердого, жидкого и газообразного состояний существует немало других, более причудливых состояний материи.

Вспомните, что происходит с плиткой шоколада, если забыть ее в кармане в жаркий день. Можно выложить ее в прохладном месте, она опять отвердеет, но на вкус будет не совсем такая же, как прежде. Почему? Ответ на этот вопрос дает понимание разницы между исходным состоянием шоколада и тем, во что он превращается, растаяв и затвердев. Но для начала вернемся к школьным урокам природоведения.

Твердое, жидкое, газообразное... И плазма

У материи есть три общеизвестных фазовых (агрегатных) состояния: твердое, жидкое и газообразное. Помните, вам про это рассказывали в школе? Простейший пример смены агрегатных состояний вещества — замерзание и плавление воды, то есть переход между твердым и жидким состоянием. Многие другие вещества тоже плавятся, переходя из твердого состояния в жидкое. Разные фазовые состояния часто объясняют плотностью расположения атомов или молекул в веществе. В твердой фазе частицы напиханы плотно, как люди в тесном лифте, в жидкости же молекулы двигаются свободнее. В газе частицы распределены в пространстве еще шире, у их движения нет ограничений — словно двери лифта открылись и пассажиры разбрелись кто куда. Обычно эти три состояния материи — предел бытового знания, однако имеется несколько более таинственных и, видимо, менее известных. Во-первых, есть фазовое состояние со слегка футуристическим названием — плазма. Это газоподобное состояние материи применяется в экранах телевизоров, например: электроны отваливаются от своих ядер, и частицы материи приобретают заряд. Разница с газами состоит в том (если продолжить аналогию с лифтом), что двери открываются, а публика двигается прочь не врассыпную, а довольно упорядоченно. Поскольку частицы заряжены, они в плазме, скорее, «текут», нежели болтаются как придется. Жидкие кристаллы, применяемые в ЖК-экранах, — еще один пример диковинного агрегатного состояния материи.

«Стремительно движется по гладкой поверхности, словно несет его подобная газу атмосфера, постоянно его окружающая, пока не исчезнет он совсем» Адриен-Жан-Пьер Тилорье (1790-1844), французский химик, о первом наблюдении за сухим льдом

Более четырех

Четыре агрегатных, или фазовых, состояния вполне описывают многие изменения, которые мы ежедневно наблюдаем в материи. Их довольно даже для некоторых менее рядовых превращений веществ. К примеру, в дым-машинах, используемых в театрах и ночных клубах, способных нагнетать очень плотные клубы дыма или тумана, применяют «сухой лед» — твердый диоксид углерода (С0₂). Если бросить его в горячую воду, он претерпевает необычную метаморфозу — переходит из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое (поэтому его и зовут сухим льдом). Фазовый переход из твердого состояния в газ называется сублимацией (возгонкой). Когда это происходит, все еще не успевший нагреться газ конденсирует пары воды из воздуха и получается туман.

Но все же эти четыре агрегатные состояния не отвечают на вопрос, поставленный в начале этой главы: почему шоколад меняет вкус только потому, что расплавился и потом опять застыл. Он же опять твердое вещество. Дело в том, что фаз существует больше, чем классических четыре. Множество веществ имеют гораздо большее разнообразие фазовых состояний даже в твердом виде, и многие из этих твердофазных состояний — кристаллические. Масло какао в шоколаде — на самом деле кристаллическое, и от того, как именно кристаллы образовались, зависит, какое именно у шоколада фазовое состояние.

Шесть видов шоколада

Итак, теперь мы готовы разрешить загадку вкуса шоколада. Наверное, вы уже догадались, что шоколад не так прост, как выглядит. Главный ингредиент шоколада — масло какао, оно состоит из триглицеридов, но мы для простоты станем называть их «масло какао». Оно может образовывать не менее шести кристаллических форм — полиморфных модификаций, и все они наделены разной структурой и плавятся при разных температурах. Плавлением и отвердеванием шоколад образует разные полиморфные модификации, у каждой — свой вкус.

Даже если хранить шоколад при комнатной температуре, он постепенно, но неуклонно преобразуется в другую полиморфную разновидность — самую устойчивую. Именно поэтому, развернув шоколадку, которая провалялась несколько месяцев, обнаруживаешь, что у нее какой-то хворый вид. Белый налет вашему здоровью не повредит. Это просто полиморфная модификация шоколада β (VI). В некотором смысле все масло какао «хочет» принять форму β (VI) — она устойчивее всех прочих. Но на вкус она так себе. Чтобы замедлить переход шоколада к этому состоянию, можно хранить его при пониженных температурах — в холодильнике, например.

Возможность влиять на состояние шоколада чрезвычайно важна для пищевой промышленности, очевидно, и потому химиками проводились некоторые сложнейшие исследования полиморфизма шоколада. В1998 году производитель шоколада «Кэдбери», пытаясь выведать тайну вкусного шоколада, даже применил ускоритель элементарных частиц: с помощью этого прибора изготовитель попытался разделить разные формы шоколадного масла и понять, как добиться от лакомства «таяния во рту».

Упоительная на вкус глянцевитая разновидность, которая нам всем так нравится, — β(V), но сделать так, чтобы весь брикет кристаллизовался только в этой модификации, не так-то просто. Для этого требуется пристально следить за плавлением и охлаждением при определенных температурах, и тогда кристаллы сформируются как надо. Но самое главное, конечно, успеть съесть шоколадку прежде, чем она сменит фазовое состояние. Так что, дети, у вас есть отличный довод, чтобы слопать все пасхальные шоколадные яйца еще до наступления Пасхального понедельника!

Жидкие кристаллы

О жидкокристаллическом агрегатном состоянии многие знают благодаря ЖК-мониторам, применяемым в современной электронике. Многие материалы могут находиться в этой фазе - не только те, что есть у вас в телевизоре, хромосомы в клетках вашего тела тоже можно считать жидкими кристаллами. Название подсказывает, что жидкокристаллическое состояние есть нечто среднее между жидкостью и твердым кристаллом. Молекулы, обыкновенно в форме палочек, случайно распределены в одном направлении (как в жидкости), однако упорядочены в другом (как в кристалле). Так происходит потому, что силы, стягивающие молекулы воедино, в одном направлении слабее, чем в другом.

Молекулы в жидких кристаллах образуют слои, способные скользить относительно друг друга. Но внутри слоев случайно расположенные молекулы все еще подвижны. Именно это сочетание подвижности и упорядоченности и обусловливает поведение вещества в такой фазе подобно жидкости. В ЖК-мониторах расположение молекул и зазоров между ними влияет на то, как они отражают свет и какой цвет мы воспринимаем. Воздействуя при помощи электричества на положение стиснутых между двумя стеклами молекул в жидком кристалле, можно создавать узоры и образы на экране.

Новые фазы

Вещества могут существовать во множестве фаз, есть среди них и такие, которые еще не довелось открыть. Ученые постоянно натыкаются на неведомые доселе фазовые состояния воды. В 2013 году в журнале Physical Review Letters увидела свет статья, в которой авторы заявили о существовании сверхстабильного «суперионного» льда, который, по прогнозам, обилен в ядрах планет-«ледяных гигантов» - Урана и Нептуна.