Как мы знаем, все тела состоят из атомов и молекул. Атомы, мельчайшие компоненты вещества, обладают ядром, окруженным электронными оболочками. Ядро мы будем представлять в виде сферы, состоящей из тяжелых элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Суммарный заряд протонов (т. е. заряд ядра) определяет конкретный элемент: ядро с одним протоном – водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с двадцатью шестью – железо, с девяносто двумя – уран. Нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов: у урана – 146 нейтронов, у железа – 30, у лития – 4 и т. д. Исключения – самые легкие элементы – водород и гелий: у гелия два протона и два нейтрона, а ядро водорода в большинстве случаев – это один-единственный протон. Однако количество нейтронов в ядре может колебаться, и по этой причине каждый элемент известен нам в виде нескольких изотопов, стабильных или нестабильных, то есть склонных к радиоактивному распаду. Выше были перечислены стабильные изотопы водорода, гелия и других элементов – их в земной коре и водах подавляющее большинство. Но есть и другие изотопы, например у водорода: дейтерий D – в ядре протон и нейтрон, тритий T – в ядре протон и два нейтрона.
Атомное ядро окружают легкие элементарные частицы, отрицательно заряженные электроны; в первом приближении можно считать, что они вращаются вокруг ядра по близким и более удаленным орбитам, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Заряд электрона отрицательный и равный по абсолютной величине заряду протона; электронов в атоме столько же, сколько протонов, и поэтому атом в целом электронейтрален. На сегодняшний день нам известно чуть более сотни различных элементов, от водорода до радиоактивных менделевия, нобелия и лоуренсия, и все они представлены в Периодической таблице.
Эту таблицу можно уподобить алфавиту, а атомы – буквам, из которых составляются слова-молекулы. Можно сказать, что совокупность слов – это человеческий язык, а совокупность различных молекул (то есть различных веществ) – это язык природы. В природе вещества редко присутствуют в своем атомарном состоянии, в виде атомарного водорода, кислорода или железа; в большинстве случаев они объединяются в молекулы или кристаллы, образуя газы, жидкости и твердые тела. Так, два атома водорода объединяются в молекулу H₂ (газ водород), два атома кислорода – в молекулу О2 (газ кислород). Наконец, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода и образуют жидкость H₂O – воду.
В чем причина этой необоримой тяги атомов к слиянию в молекулы? Всем нам известен закон сохранения энергии, из которого следует, что энергия не создается и не уничтожается, а только переходит из одного состояния в другое. Это – главный физический закон. Второй по значимости, пожалуй, принцип минимума энергии, согласно которому всякое вещество строится так, и всякий процесс осуществляется таким образом, чтобы при этом была затрачена минимальная энергия. Молекула H₂ имеет меньшую энергию, чем два свободных атома водорода, молекула H₂O – меньшую, чем два атома водорода и один атом кислорода. Отсюда многообразие веществ в окружающем нас мире. Иными словами, есть фундаментальный закон, повинуясь которому атомы-буквы складываются в молекулы-слова.
Связь атомов в молекуле осуществляют электроны внешней (валентной) оболочки. Виды этих связей весьма разнообразны, но основные таковы: ионная и ковалентная. В случае ионной связи один атом отдает электроны, а другой их присоединяет, и в результате образуются два иона, положительный и отрицательный. Например, поваренная соль NaCl: натрий отдает один электрон, хлор его присоединяет, и это обозначается как Na + и Cl – . Значит, ион – это атом, у которого один или несколько (обычно до четырех) электронов отняты или присоединены, в результате чего он превратился в частицу с положительным (катион) или отрицательным (анион) зарядом. В первом приближении можно считать, что молекула или кристалл с ионной связью цементируются электрическими силами – притяжением разноименно заряженных ионов (анионов и катионов) друг к другу и отталкиванием их электронных оболочек.
В случае ковалентной связи, которая реализуется, например, в молекулах H₀ и O₂, внешние электроны как бы обобществляются, кружась по орбитам, которые «обтекают» оба (или большее число) составляющих молекулу атома. Существуют промежуточные типы связей между ковалентной и ионной, а кроме того, оба типа связи могут иметь место в одной молекуле. Вспомним о серной кислоте H₂SO₄: сера связана с четырьмя атомами кислорода ковалентно, и этот блок (кислотный остаток, ион SO 4– 2 ) соединен с двумя атомами водорода ионными связями.
В завершение этого раздела напомню о предметах неорганической и органической химии. К неорганике, в интересующем нас аспекте, относятся металлы и сплавы, стекла, керамика, газы и все минералы, которых на сегодняшний день известно около пяти тысяч (включая доставленные с Луны); всего же неорганических соединений тысяч сорок-пятьдесят или более того, по разным оценкам.
Органическая химия – это, по сути дела, химия соединений углерода, способного образовывать кольца и цепочки их атомов. Благодаря этой способности соединений на основе углерода великое множество, в десять или двадцать раз больше, чем неорганических. Молекулы соединений углерода, в свою очередь, могут состоять из сотен, тысяч и десятков тысяч атомов, что вовсе не удивительно: ведь углеродные соединения – основа жизни! К ним относятся дерево, бумага, ткани, пластики, нефть, компоненты питания (белки, жиры, сахара-углеводы и витамины), молекулы ДНК. Весь растительный и животный мир в своей основе имеет углеродные соединения. Потенциально опасными для нас являются любые пластики, в том числе искусственные полимерные материалы (полиэтилен, полихлорвинил, полистирол, полиуретан и т. д.) – высокомолекулярные соединения, которые в процессе старения распадаются на токсичные блоки-мономеры, среди которых могут оказаться фенол и его производные, формальдегид и даже цианиды.
Насколько опасными являются для нас полимеры, покажет следующий пример. Возьмем механический фильтр, который представляет собой в первом приближении мелкоячеистую сетку, или множество таких сеток, или некий материал с очень маленькими порами в 1 мкм (такие материалы уже существуют). Есть надежда, что данный фильтр задержит не только взвешенные частицы (то есть попросту грязь), но через него не пройдут бактерии и крупные вирусы, размеры которых 1 мкм и более; если же в будущем удастся уменьшить поры до 0,1 мкм, то мелкие вирусы (0,2–1 мкм) тоже не проскользнут. А полимеры? Ведь длина полимерной цепочки (то есть линейный размер молекулы) достигает 0,1–0,8 мкм, что сравнимо с величиной вируса! Неужели наш чудо-фильтр задержит и эти гигантские молекулы? Не тут-то было! Полимер, как отмечено выше, стареет и распадается на мономеры, величина которых гораздо меньше, а токсичность и реакционная способность гораздо больше. С помощью механического фильтра от них не избавишься, нужны другие методы.
Свойства воды
Обратимся теперь к свойствам воды и рассмотрим ее с точки зрения основных наук – физики, химии и др.
