Краткая история науки - Уильям Байнум

Она случается, когда три состояния воды – лед (твердое), вода (жидкость) и водяной пар (газ) находятся в термодинамическом равновесии. Последнее может возникать в экспериментальных условиях, когда вещество изолировано от окружающего мира таким образом, что температура и давление фиксированы. Поэтому нет изменений в состоянии вещества и никакое количество энергии не покидает систему и не входит в нее. Тройная точка воды достигается, когда твердое вещество, жидкость и газ находятся в идеальном балансе. Как только температура или давление меняется, баланс теряется.

По шкалам Цельсия и Фаренгейта температура уходит в минус, когда становится достаточно холодно. Вы могли слышать, как в прогнозе погоды говорят «минус два или три градуса» или даже больше. Но на шкале Кельвина нет отрицательных значений, вода по ней замерзает при 273,16 градуса (сравните с 0 Цельсия или 32 Фаренгейта), и при нуле наступает настоящий холод. Ноль здесь обозначает настоящее ничто, он именуется «абсолютным нулем», и при этой невероятно низкой температуре все движение прекращается, энергия замирает.

И точно так же как невозможно создать механизм с идеальной эффективностью, так же невозможно достичь и абсолютного нуля.

Кельвин и другие помогли объяснить научные и практические принципы функционирования двигателей разного рода. В конце девятнадцатого века три открытия, изложенных в этой главе, были названы тремя законами термодинамики: сохранение энергии, закон энтропии и абсолютная неподвижность атомов при «абсолютном нуле». Эти законы помогают нам понимать важные вещи относительно силы, энергии и работы.

Тогдашний мир принялся активно использовать вновь обретенную мощь: задвигались машины на фабриках, задымили трубы пароходов и паровозов, а концу жизни Кельвина появились автомобили. Паровозы и пароходы использовали тепло сжигаемого в топках угля, чтобы получать пар, который и оживлял машины, но автомобили оказались основаны на ином принципе, на двигателе внутреннего сгорания.

Такой двигатель требует жидкого, испаряющегося топлива, именуемого бензином, изобретенного в конце девятнадцатого века. И бензин стал одним из наиболее важных источников энергии для века двадцатого, и сейчас, в начале двадцать первого, он остается одним из самых ценных ресурсов для всего мира.

Всякий раз, смешивая продукты, чтобы испечь что-то, мы используем химические реакции. Очищая чайник от накипи, мы тоже пускаем в ход достижения науки химии. Пластиковые бутылки для воды, разноцветная одежда, которую мы носим, стали возможными благодаря химическим знаниям, накопленным за сотни лет.

Химия превратилась в современную науку в девятнадцатом веке.

Давайте коротко вспомним: в начале того столетия химики приняли идею Дальтона по поводу атома (глава 21). Затем они резко продвинулись вперед, создав особый язык, который можно было использовать в любой стране мира. Появилась система обозначений для элементов, например, H2 для двух атомов водорода. Все согласились, что атом является мельчайшей частицей материи, что слово «элемент» будет использоваться только для субстанции, состоящей из атомов одного вида (углерод, например), в «соединении» же будет содержаться два или большее число элементов, связанных химическим путем.

Можно разложить соединение на элементы (аммиак разделить на азот и водород), но когда у вас в руках отдельные элементы, их уже нельзя разбирать на «части» дальше.

Хотя атомы оказались вовсе не крохотными твердыми шариками, о которых думал Дальтон, было невероятно трудно определить, чем в точности они являются. Отложив эту задачу, химики начали заниматься тем, как ведут себя атомы, помещенные в те или иные соединения.

Некоторые элементы просто не вступали в реакцию с другими вне зависимости от ваших усилий. Другие, наоборот, реагировали при соединении столь бурно, что возникала опасность взрыва. Иногда тем не менее вы получали реакцию по собственной воле, помогая ей начаться. Кислород и водород можно поместить в емкость, и ничего не будет. Если же туда попадет искра, то только держись, но, несмотря на драматический эффект, в конечном счете появится банальная вода.

С другой стороны, если магний и углерод поместить в сосуд, где не будет воздуха, можно нагревать их вечно, и ничего не произойдет. Добавьте хоть глоточек атмосферы, и вы получите яркую вспышку и огромное количество тепла.

Химики понемногу узнавали больше и больше о самых разных реакциях и все сильнее и сильнее интересовались их причинами и шаблонами, обнаруженными в лабораториях. Все эксперименты ученые разделили на две большие группы: синтез и анализ. Синтез – это соединение элементов, вы начинаете с простых элементов или веществ, потом они вступают в реакцию, и вы смотрите, что получается в итоге. Анализ – нечто противоположное: вы начинаете со сложного соединения и пытаетесь неким образом разложить его на составляющие, чтобы потом, изучая, что получилось, узнать свойства исходного вещества.

Эти методы позволили ученым понять, из чего состоят многие простые соединения. С другой стороны, они научились создавать более сложные, комбинируя новые и новые элементы.

Но все эти опыты сделали очевидными две простые истины.

Во-первых, как мы уже видели, элементы сами по себе могут быть положительными либо отрицательными. А как говорили древние – противоположности притягиваются. Например, натрий, положительный от природы элемент, легко комбинирует с отрицательным хлором, чтобы получился хлорид натрия (это обычная соль, которая есть на любом столе). Положительный и отрицательный заряды взаимно уничтожают друг друга, так что соль нейтральна.

Все стабильные соединения (такие, которые не меняются, если не прилагать специальных усилий) нейтральны, пусть даже они состоят из элементов, обладающих разным зарядом. Так, поваренная соль является отличным примером такого синтеза. Ничего сложного нет в том, чтобы провести химический анализ этого вещества – растворите соль в воде, поместите раствор в электрическое поле с его положительным и отрицательным полюсами, и она распадется.

Натрий отправится к отрицательному полюсу, хлор потечет к положительному.

Сотни экспериментов такого рода убедили химиков, что атомы любого элемента обладают либо отрицательным, либо положительным зарядом. И эта характеристика играет важнейшую роль в том, что случается, когда один элемент реагирует с другим.

Во-вторых, иногда группы атомов «слипаются» в процессе эксперимента, и эти группы в дальнейшем действуют как единое целое. Объединения атомов назвали «радикалами», и они тоже бывают заряжены положительно или отрицательно. Подобные штуковины сыграли особенно важную роль в органической химии, когда ученые начали изучать целые серии взаимосвязанных соединений (все они содержат углерод), таких как эфиры, спирты или бензолы. Это удивительные виды соединений, в основе каждого лежит кольцевидная структура атомов.