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 провёл реакцию ксенона с гексафторидом платины и получил жёлтое твёрдое вещество. В то время благородные газы считали практически неспособными образовывать соединения, поэтому работа Бартлетта стала важным доказательством химической активности ксенона и дала начало химии соединений благородных газов. Многие такие соединения имеют главным образом научное и специальное химическое значение; сам ксенон применяется, например, в источниках света и как анестетик, а соединения ксенона с галогенами используются в некоторых типах эксимерных лазеров.

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.

Многие полезные материалы получают в результате химических реакций, но важно не путать химические соединения со смесями. Чистая вода — сложное вещество (химическое соединение H₂O), тогда как дерево, топливо, ткани, моющие средства и большинство бытовых материалов обычно представляют собой смеси или многокомпонентные материалы.

«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 O₂. 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 состоят из очень длинных макромолекул с многократно повторяющимися структурными звеньями — такие вещества называют полимерами. Хорошо известны полиэтилен, поливинилхлорид (ПВХ), полистирол и нейлон; к природным полимерам относятся, например, ДНК и белки. Исходные небольшие молекулы, из которых в реакции полимеризации строится полимер, называют мономерами; повторяющееся структурное звено полимерной цепи не всегда тождественно свободной молекуле мономера.

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

Молекула состоит из двух или более связанных атомов. В молекулах простых веществ атомы принадлежат одному элементу, как в O₂, а в молекулах многих сложных веществ — разным, как в CO₂. Однако не каждое сложное вещество состоит из отдельных молекул. В кристалле поваренной соли ионы Na⁺ и Cl⁻ образуют протяжённую ионную решётку, поэтому формула NaCl показывает соотношение ионов натрия и хлора 1:1, а не состав отдельной молекулы.

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.