Магия реальности. Откуда мы знаем что является правдой
Шрифт:
Металлы, такие как железо, свинец, медь, цинк, олово и ртуть, являются элементами. Так же газы, такие как кислород, водород, азот и неон. Но большинство веществ, которые мы видим вокруг себя, не элементы, а соединения. Соединение — это то, что вы получите, когда два или более различных атомов соединяются определённым образом. Вы наверняка слышали, как воду называют H2O. Это — химическая соединение формула, и она означает, что это соединение одного атома кислорода с двумя атомами водорода. Группа атомов, объединённых в соединение, называется молекулой. Некоторые молекулы очень просты: например, молекула воды состоит всего
Вы можете использовать слово «молекула» для того, чтоб описать, что вы получите, объединяя два или больше атомов одного типа. Молекула кислорода, газа, необходимого нам для дыхания, состоит из двух соединённых атомов кислорода. Иногда три атома кислорода объединяются в другой вид молекул, называемый озон. Число атомов в молекуле имеет значение, даже если атомы те же самые.
Озон вреден при вдыхании, но мы получаем пользу от его слоя в верхней атмосфере Земли, который защищает нас от наиболее вредных лучей Солнца. Одна из причин, по которым австралийцам приходится быть особенно осторожными при загорании — «дыра» в озоновом слое на дальнем юге.
Кристаллы — атомы на параде
Кристалл алмаза — огромная молекула, без определённого размера, состоящая из миллионов атомов элемента углерод, связанных вместе и выстроенных вполне определённым образом. Они настолько равномерно распределены внутри кристалла, что вы можете представить их солдатами в строю, за исключением того, что они построены в трёх измерениях, как косяк рыбы. Но число «рыб» в косяке — число атомов углерода даже в самом маленьком алмазе — гигантское, больше чем число всех рыб (плюс всех людей) на Земле. И «связанных вместе» не очень корректное описание, если оно заставляет вас думать об атомах как о твёрдых кусках углерода, плотно упакованных без промежутков между ними. На самом деле, как мы увидим, в основном «твёрдая» материя состоит из пустого пространства. Это потребует некоторого объяснения. Я ещё вернусь к этому позже.
Все кристаллы построены одинаковым («строевым») образом, с атомами, равномерно расставленными по фиксированной схеме, что придаёт форму всему кристаллу. Именно форму мы обычно имеем в виду под «кристаллом». Некоторые «солдаты» способны «выстраиваться» несколькими способами, создавая весьма разнообразные кристаллы. Атомы углерода, построенные одним образом, образуют легендарно твёрдые кристаллы алмаза. Но если они выстроятся по — другому, они образуют кристаллы кристаллы графита, настолько мягкого, что его используют как смазку.
Мы думаем о кристаллах как о прекрасных прозрачных объектах, и даже описываем другие вещи, например чистую воду, как «кристально чистые». Но в действительности, наиболее твёрдое вещество состоит из кристаллов, и наиболее твёрдое вещество непрозрачно. Кусок железа состоит из множества мельчайших кристаллов, сложенных вместе, каждый из кристаллов состоит из миллионов атомов, выстроенных «как на параде» подобно атомам углерода в кристалле алмаза. Свинец, алюминий, золото, медь — все состоят из кристаллов соответствующих им типов атомов. Так же камни, такие как гранит или песчаник — но они часто являются смесями множества разных типов мельчайших кристаллов, сложенных вместе.
Песок тоже кристаллический. Фактически, многие песчинки — это просто маленькие куски камня, сточенные водой и ветром. То же самое верно для грязи, с добавлением воды или других жидкостей. Часто, частицы песка и грязи уплотняются снова, создавая новые породы, называемые «осадочными» — потому что это отвердевшие осадки песка и грязи. («Осадок» — это частички твёрдого вещества, оседающие на дне жидкости, например в реке, или озере, или море.) Песок в песчанике в основном состоит из кварца и полевого шпата, двух распространённых кристаллов в земной коре.
Иногда кристаллы состоят полностью из одного типа атомов «в строю» — все атомы одного и того же элемента. Примеры — алмаз, золото, медь и железо. Другие кристаллы созданы из двух разных типов атомов, опять «в строю» в строгом порядке, например, чередуясь. Соль (поваренная соль, столовая соль) — не элемент, а соединение двух элементов, натрия и хлора. В кристалле соли, атомы натрия и хлора выстроены поочерёдно. На самом деле, здесь они называются не «атомы», а «ионы», но я не буду вдаваться в подробности, почему. Каждый ион натрия имеет шесть соседей — ионов хлора, под прямыми углами друг к другу: спереди, сзади, слева, справа, сверху и снизу. И каждый ион хлора окружён ионами натрия таким же образом. Все расположение состоит из квадратов, и именно поэтому кристаллы соли, если вы внимательно посмотрите через сильную лупу, кубические — трёхмерное обобщение квадрата — или как минимум имеют квадратные грани. Множество других кристаллов состоят из более чем одного вида атомов «в строю», и многие из них находятся в камнях, песке и почве.
Твёрдое, жидкое, газ: как движутся молекулы
Кристаллы твёрдые, но не все на свете твёрдое. У нас есть ещё жидкости и газы. В газах молекулы не сцеплены друг с другом, как в кристаллах, а свободно носятся в доступном пространстве, перемещаясь по прямым, как бильярдные шары (но в трёх изменениях, а не в двух, как на плоском бильярдном столе). Они несутся, пока не стукнутся о что-то, например другую молекулу или стенку сосуда, тогда они отскакивают, опять как бильярдные шары. Газы можно сжать, что показывает, что между атомами и молекулами полно места. Когда вы сжимаете газ, вы чувствуете сопротивление. Закройте пальцем выход велосипедного насоса и толкайте поршень — вы почувствуете сопротивление. Если вы не отпустите палец, то поршень отскочит назад, как только вы его отпустите. Сопротивление, которое вы чувствуете, называется «давление». Давление — это результат того, что миллионы молекул воздуха (смесь азота, кислорода и ряда других газов) в насосе бомбардируют поршень (и все другие части насоса, но поршень — единственная часть, которая может двигаться в ответ). При более высоком давлении «бомбардировка» происходит чаще. Это же произойдёт, если то же число молекул газа заключают в меньшем объёме (например, когда вы нажимаете на поршень велосипедного насоса). Это же произойдёт, если вы повысите температуру, что заставит молекулы носиться быстрее.
Жидкость подобна газу в том, что молекулы двигаются друг относительно друга или «текут» (поэтому, в отличие от твёрдых тел, обе называются «текучая среда»). Но молекулы в жидкости намного ближе друг к другу, чем молекулы в газе. Если вы поместите газ в закрытый сосуд, он заполнит каждый уголок сосуда, до самого верха… Объём газа быстро увеличится, заполнив весь сосуд. Жидкость тоже заполнит каждый уголок, но только до определённого уровня. Заданное количество жидкости, в отличие от такого же количества газа, сохраняет объём. Гравитация тянет её вниз, поэтому она заполняет только такую часть сосуда, сколько ей требуется, снизу вверх. Это потому, что молекулы жидкости остаются близкими одна к другой. Но, в отличие от твёрдых тел, они скользят друг вокруг друга, вот почему жидкость ведёт себя как текучая среда.
А твёрдое тело даже не пытается заполнить сосуд — оно просто сохраняет свою форму. Это потому, что молекулы твёрдого тела не скользят друг относительно друга, как молекулы жидкости, а остаются (грубо говоря) на тех же позициях относительно соседей. Я говорю «грубо», потому что даже в твёрдом теле молекулы совершают своего рода покачивания (быстрее при более высокой температуре): они просто не отходят достаточно далеко от своего места «в строю» в кристалле, чтобы повлиять на его форму.