Сложные вещества

В химии есть вещества, состоящие из атомов одного элемента, а есть и такие, в состав которых входят атомы двух и более видов, и эти вещества называются сложными. Именно сочетания атомов различных элементов составляют поразительное разнообразие химии. Трудно оценить, сколько существует разных химических веществ — учитывая постоянно синтезируемые новые — и сколь обширно их применение.

Время от времени в науке случаются открытия, которые противоречат тому, что прежде считалось фундаментальным законом. После такого открытия люди чешут в затылке и пытаются понять, не произошло ли какой ошибки, не вкралась ли неточность в данные. Далее, когда доказательство набирает силу и становится бесспорным, приходится переписывать учебники и в науке возникает совершенно новое направление исследования. Именно так и вышло с открытием в 1962 году Нилом Бартлеттом нового сложного вещества.

Нил Бартлетт

Как-то раз в пятницу Бартлетт заработался допоздна и остался у себя в лаборатории один — тут-то и произошло открытие. Он смешал два газа — ксенон и гексафторид платины, и получилось твердое желтое вещество. Что тут удивительного, подумаете вы, однако в те времена научное сообщество считало, что ксенон, как и другие инертные газы, совершенно не активен химически и не способен образовывать сложные химические вещества. Новое вещество — гексафторплатинат ксенона, и работа Бартлетта вскоре подтолкнула ученых на получение других сложных веществ на основе инертных газов. За следующие несколько десятилетий было обнаружено еще по меньшей мере сто таких веществ. С тех пор эти соединения применяются при лечении опухолей, а также в лазерной хирургии глаза.

Разбиваемся на пары

Вещество Бартлетта, конечно, перевернуло с ног на голову написанное до этого в книгах, однако история этого открытия — не просто красивый пример научного прорыва и опровержения привычной «истины». Это еще и напоминание о том, что в самих простых веществах (особенно неактивных) не очень-то много прока. Ясное дело, применение у них есть — неоновые огни, углеродные нанотрубки и ксеноновая анестезия, к примеру, — однако лишь поиском новых, иногда чрезвычайно сложных сочетаний веществ химикам удается создавать лекарства, которые спасают жизни, и разрабатывать самые передовые материалы.

Чтобы получить полезное в хозяйстве вещество, необходимо объединить несколько веществ — бывает, не одно и не два: так возникают практически все современные продукты, от топлива, тканей и удобрений до красителей, лекарств и моющих средств. Мало что у вас в квартире состоит не из сложных веществ — если, конечно, как грифель в карандаше, оно не сделано из простого вещества. Даже материалы, которые выросли или сформировались сами собою, например, дерево и вода, — тоже сложные вещества. Более того, они, вообще-то, затейливее многих других.

«Я пытался найти хоть кого-нибудь, с кем мог бы поделиться своим поразительным открытием, но оказалось, что все ушли ужинать!» Нил Бартлетт (1932-2008), англо-американский химик, профессор

Сложные вещества и смеси

Говоря о сложных веществах, необходимо провести одну важную границу. Сложные вещества — химические соединения, в состав которых входят атомы двух или более химических элементов. Однако простым помещением двух — или десяти — простых веществ в одно пространство сложное вещество не получается. Частицам необходимо соединиться — образовать химические связи. Без химических связей выйдет нечто похожее на светский раут для атомов разных элементов — ученые именуют это смесью. Атомы некоторых элементов объединяются с себе подобными — как, например, кислород воздуха, существующий в основном в виде молекул 0₂. Два атома кислорода образуют молекулу кислорода, но это — не сложное вещество, потому что в этих молекулах содержатся атомы лишь одного химического элемента.

Сложные вещества, таким образом, это соединения, содержащие частицы более чем одного химического элемента. Вода — сложное вещество, потому что в ее состав входят атомы двух химических элементов — водорода и кислорода. Большинство современных материалов и промышленных продуктов — сложные вещества, однако не любое сложное вещество состоит из молекул.

Полимеры

Некоторые химические соединения — вещество в веществе: они состоят из звеньев, повторенных много раз, в результате чего получается своего рода нитка бус. Такие вещества называются полимерами. Некоторые вам хорошо знакомы: полиэтилен, из которого сделаны магазинные пакеты, поливинилхлорид (ПВХ) «виниловых» пластинок, полистирольные контейнеры, в которых продают еду на вынос, — про эти сразу все понятно. Однако есть и менее очевидные полимеры — нейлон и шелк, а также ДНК и белки мышц: все это — полимеры. Повторяющееся звено во всех полимерах, и природных, и искусственных, называется мономером. Много соединенных между собой мономеров — полимер. Нейлон особенно показателен: в любой школьной лаборатории можно увидеть эксперимент, когда из пробирки вытягивают нейлоновое волокно — хоть на катушку наматывай, как обычную нитку.

Биополимеры

Биополимеры типа ДНК до того сложны, что природе на совершенствование искусства их изготовления потребовались миллионы лет эволюции. Мономеры, то есть «вещества в веществе», этого полимера — нуклеотиды, сами по себе довольно сложные соединения. Связанные между собой, они образуют длинные полимерные цепочки, из которых и состоит шифр ДНК. Чтобы соединить эти мономеры, применяются особые ферменты, и с их помощью к цепочке ДНК можно пристегнуть отдельные дополнительные нуклеотиды. Дух захватывает, стоит только подумать, что природа нашла способ создавать столь сложные вещества прямо у нас в организме.

Так сколько же всего существует веществ? Если по-честному, это никому неведомо. В 2005 году швейцарские ученые попытались прикинуть, сколько есть устойчивых веществ, содержащих лишь углерод, азот, кислород или фтор. У них вышло около 14 миллиардов, да и то речь лишь о веществах, состоящих не более чем из 11 атомов. «Химическая вселенная», как они ее назвали, — воистину велика.

Сложные вещества / молекулы

Хотя существуют и одноатомные молекулы, обычно в молекуле более одного атома. В состав одних молекул входят атомы одного и того же элемента, как в O₂, а в состав других - разных, как, например, в СO₂. Но из этих двух веществ сложное - СO₂, поскольку содержит атомы разных элементов, соединенные химическими связями. Итак, молекулы составляют сложное вещество, но любое ли сложное вещество состоит из молекул? Карты нам путают ионы. Есть сложные вещества, которые состоят из этих заряженных частиц, а не из молекул. В поваренной соли, к примеру, ионы натрия (Na⁺) химически связаны с ионами хлора (CI) в обширной упорядоченной, повторяющейся кристаллической структуре. Таким образом, независимых отдельных «молекул» хлорида натрия в образце соли, говоря строго, нет. Поэтому химическая формула NaCI показывает нам лишь соотношение ионов натрия и ионов хлора в веществе, а не описывает его молекулярный состав. С другой стороны, химики вполне могут походя говорить о «молекулах хлорида натрия».

Ионы

Когда атом приобретает или теряет отрицательно заряженную частицу-электрон, меняется равновесие зарядов и весь атом в целом делается заряженным. Такой заряженный атом называется ионом. То же бывает и с молекулами, и тогда образуются полиатомные ионы - нитрат-ион или же силикат-ион, например. Возникновение связи между разнозаряженными ионами - важный способ образования химических веществ.