Кейт Бибердорф

Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Kate Biberdorf

It’s Elemental: The Hidden Chemistry in Everything

© 2021 by Kate Biberdorf

Translation copyright © 2023 by Irina Sysoeva

© Сысоева И., перевод на русский язык, 2024

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2024

* * *

Моей учительнице химии, миссис Келли Пэлсрок

Введение

Ботаникам вроде нас позволено быть неиронично увлеченными каким-либо занятием.

Мы даже можем просто подпрыгивать в кресле вверх-вниз, и это сойдет нам с рук.

…Если кто-то называет вас ботаником, он скорее всего имеет в виду, что вам нравится заниматься чем-то всерьез.

Джон Грин

Я хочу начать эту книгу с признания.

Я ботаник, и я одержима химией.

Я – химик, мой муж, Джош, – химик, и большая часть наших друзей тоже химики. (Не все, но у каждого свои недостатки.) Знаете, я могу завести случайную беседу о кварках. На романтическом вечере мы с Джошем обсуждали исследование, получившее Нобелевскую премию, и горячо спорили о том, какой же элемент из периодической таблицы является лучшим – очевидно же, что это палладий. Однако я понимаю, что не все люди такие, как я и мой муж. Точнее, большинство людей не такие.

В химии тяжело разобраться. Наука в принципе дело непростое. Вы неизбежно сталкиваетесь со множеством непонятных терминов и правил, которые кажутся чертовски сложными. И это особенно актуально, если мы говорим о химии, ведь мы не можем наблюдать ее процессы своими глазами.

Чтобы лучше разобраться в биологии, вы можете, скажем, препарировать лягушку. На уроке физики учитель может наглядно показать вам некоторые физические свойства, например ускорение. Но я не могу показать вам атом.

Даже мои близкие или друзья не всегда понимают, чем именно я занимаюсь. Например, Челси, моя лучшая подруга. Она очень умная, в целом разбирается в науке и работает в области, связанной с химией, – она ювелир. Но Челси никогда не «понимала» химию, которую преподают в старших классах. И если меня этот предмет увлекал и приводил в восторг, то она каждый урок сидела потерянная и скучающая. Тогда я не могла понять, почему уже на второй год Челси забросила уроки химии. Но сейчас понимаю. Я вижу таких студентов почти каждый день.

Я профессор в Техасском университете в Остине, преподаю предмет «Химия в контексте». Это вводный курс для студентов, которые, возможно, больше никогда не возьмут уроки естествознания. Просто представьте молодую девушку, у которой основная дисциплина английский язык… И она считает, что естествознание – это предмет, за который вполне можно получить тройку. Представили? Вот это я и пыталась вам объяснить.

Однажды, в самый первый день занятий, студент задал мне вопрос о кварках, и я настолько увлеклась, что мое объяснение закончилось разговором о субатомных частицах. И все это происходило на глазах пяти сотен первокурсников. Самые отчаянные пытались делать заметки, но основная часть группы просто смотрела на меня глазами, полными ужаса. Некоторые снимали меня на видео. Две девушки буквально прижались друг к другу.

В целом, эта ситуация могла быть смешной в том случае, если бы передо мной не сидело несколько сотен шокированных студентов, решивших дать шанс химии (и мне). Многие совершенно не понимали, о чем речь. С тем же успехом я могла говорить на клингонском языке. Я на сто процентов уверена, что эта ситуация для моих учеников только подтвердила миф о том, что наука – это скучно и непонятно. Именно поэтому важно выбирать правильные слова. Особенно если мы говорим о химии.

Когда я получила первую ученую степень, я переслала маме копию моей диссертации. Она позвонила мне пару минут спустя. Я даже не успела поздороваться, как услышала смех. Я честно не могла понять, почему мать смеется. Я отправила ей не тот документ? Она увидела видео с глупенькой смешной кошкой? Она ошиблась номером?

Затем мама начала тараторить: «Кэтти, я даже не понимаю значения этих слов! Что за… нафтил?» Она смеялась так сильно, что не могла сказать ни слова. Я растерялась. Я же сказала, о чем было мое исследование, так почему она ничего не поняла? Потом я открыла документ и прочитала первую строку: «Синтез и каталитические свойства шести новых 1,2-аценафтинил N-гетероциклических карбенов на основе палладиевого (II) катализатора. Аценафтенилкарбен может быть получен с использованием мезитила или 1,2-диизопропил N-арильных заместителей».

Тогда мне все стало ясно: что прочитала моя мама, что услышали мои студенты и что чувствовала Челси. Никто из них понятия не имел, что такое «1,2-аценафтинил N-гетероциклических карбенов на основе палладиевого (II) катализатора». По правде говоря, им и не нужно было понимать. (На случай, если кому-то интересно, это тип катализатора, используемый для создания медицинских препаратов.)

Химия интересная, чертовски увлекательная, но многие химики (включая меня) говорят о ней как-то слишком заумно, так что любой человек, не имеющий научной степени, просто не поймет, о чем речь. Однако в этой книге я хочу сделать ровно противоположное. Моя цель – показать маме (и всем вам), почему я влюблена в химию. И почему вы тоже должны ее полюбить.

Обещаю, что здесь не будет унылых рассуждений о кварках и скучных описаний научных методов. Но когда вы закончите чтение и закроете книгу, то будете понимать основы химии. Вы узнаете, что химия есть везде: начиная с шампуня, которым вы моете голову по утрам, и заканчивая прекрасным закатом. Химия в воздухе, без которого вы не можете жить. Она в вещах, с которыми вы сталкиваетесь каждый день. И чем больше вы будете знать, тем сильнее будете ценить и понимать наш мир.

Посмотрите вокруг. Все, что вы видите, – это материя. Материя состоит из молекул, а молекулы из атомов. Чернила на этой странице – молекула, впитавшаяся в волокна бумаги. Клей в переплете книги – тоже молекула, соединяющая обложку и листы. Химия везде и во всем.

В первых четырех главах я расскажу вам о молекулах, атомах и химических реакциях – о том, что необходимо знать для общего понимания науки. Вы можете считать это чем-то вроде Chemistry 101[1] или пересказа школьной программы за десятый класс. (Кстати говоря, я гарантирую, что к концу этого раздела вы наконец «одолеете» атомы.)

Во второй части книги я расскажу вам о химии в повседневной жизни: в кофе, который вы варите каждое утро, в вине, которое вы пьете по вечерам. А тем временем мы с вами будем делать различные веселые вещи: убираться, готовить и заниматься спортом. Мы даже сходим на пляж. Вы узнаете, как зависят от химии ваши телефоны, солнцезащитные кремы и ткани.

Я писала эту книгу в надежде, что вы не только поймете химию, но и очаруетесь этой наукой. Хочется надеяться, что по ходу чтения вы откроете для себя множество интересных и увлекательных вещей об окружающем мире; что вы будете делиться новыми знаниями со своим партнером, детьми, друзьями, коллегами по работе… да хоть с незнакомцем в «счастливый час».

И я уверена, что любовь к химии поможет нам сделать этот мир чуточку лучше.

Поехали!

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

Химия есть везде и во всем. Она в вашем телефоне, теле, одежде и даже в любимом коктейле! С ее помощью можно понять, почему лед в воде тает, или предположить, что случится, если мы соединим два элемента, например, натрий и хлор (спойлер: получится соль). Но что такое химия на самом деле?

Техническое определение звучит так: «Химия – это наука об энергии и материи, а также о взаимодействии двух элементов друг с другом». В данном определении под словом материя подразумевается любое вещество, а под словом энергия – реакционная способность молекулы. (Молекула – это крошечная частица, из которой состоит материя. Подробности чуть позже.)

Химики хотят предсказывать то, какие химические реакции будут происходить при взаимодействии двух молекул, или, если говорить другими словами, при взаимодействии двух веществ или химических субстанций. Мы задаем себе разные вопросы и пытаемся ответить на них. Например, вступят ли химические вещества в реакцию при комнатной температуре? Случится ли взрыв? Если добавить тепло, образуются ли новые связи?

Но чтобы можно было ответить на все эти вопросы, нужно понимать основы химии. А это значит, нам предстоит немного перенестись назад во времени. Ну, точнее, не совсем «немного» – мы отправляемся в глубокую древность.

В пятом веке до нашей эры два философа, Демокрит и Левкипп, предположили, что все в нашем мире состоит из малейших невидимых частиц, называемых атомами. В своих трудах они описали то, как миллионы атомов объединились между собой и образовали все то, что мы видим вокруг. Тут можно провести простую аналогию с кучей LEGO, из которых можно создать огромное количество предметов, вплоть до крутого Тысячелетнего сокола.

Несмотря на то, что Демокрит и Левкипп были абсолютно правы – сегодня считается, что они были первыми, кто дал определение атома, – в те времена их идеи не были приняты. Дело в том, что их предположение противоречило идеям двух других философов, Аристотеля и Платона (которые были своего рода авторитетами).

Аристотель и Платон считали, что вся материя (то есть все вещи и существа) возникла из сочетания четырех стихий: земли, воздуха, воды и огня. Согласно этой теории, каждый элемент обладал определенными качествами: земля – холод и сухость, вода – холод и влажность, воздух – тепло и влажность, огонь – тепло и сухость. Следовательно, все в этом мире состоит из комбинации этих четырех элементов. Философы также считали, что земля может «превращаться» в воздух, затем в огонь, затем в воду и обратно в землю. Например, когда горит бревно, то оно меняет свои качества с холода и сухости (земля) на тепло и сухость (огонь). Когда огонь потухнет, то сгоревшее бревно снова будет «принадлежать» земле, потому что оно холодное и сухое.

Если кто-то потушил огонь водой, то сгоревшее бревно становится сочетанием двух элементов: воды и земли. В данном случае мокрая зола займет намного больше места, чем кучка сухой. Вследствие этого Аристотель и Платон считали, что вся материя может изменять свой объем (становиться больше или меньше) при изменении комбинации элементов.

Демокрит был ярым противником теории Аристотеля и Платона. Он говорил, что существует предел того, насколько маленьким может быть вещество или предмет. Представим, что вы разрезали буханку хлеба пополам. Затем вы снова и снова делите получившийся кусочек на две части. Согласно Демокриту, через какое-то время у вас будет такой кусок хлеба, который будет невозможно разрезать. Именно эту неделимую частицу философ и определил как атом. И он был прав!

Но давайте не забывать, что в то время теорию Демокрита не поддержали – тогда авторитетным философом был Аристотель. Так что, когда он отверг предположение об атомах, это предположение отвергли и все остальные. К несчастью для нас, из-за Аристотеля и его ошибочных суждений следующие две тысячи лет человечество думало об окружающем мире как о комбинации огня, воды, воздуха и земли. Только вдумайтесь: две тысячи лет!

И только в 1600-х годах нашелся кто-то, кто предоставил достаточно веские доказательства того, что теория Аристотеля была неверной. Роберт Бойль, чудной физик, который любил проводить различные эксперименты и разрушать общепринятые теории. Однажды он обратил внимание на теорию Аристотеля и впоследствии написал целую книгу, в которой ее опроверг.

Бойль считал, что мир состоит из элементов – маленьких неделимых частиц материи. Звучит знакомо, правда? Публикация книги – с говорящим названием «Химик-скептик» – запустила настоящую гонку в поисках этих маленьких, невидимых частиц под названием «элементы». В то время Бойль был уверен, что распространенные вещества, например, золото и медь, представляют собой сочетание элементов. Но после публикации книги ученые обнаружили, что эти вещества (и одиннадцать других) являются самостоятельными.

Первое использование меди датируется 9000 годом до нашей эры на Среднем Востоке, но только после публикации книги Бойля люди обратили внимание на этот элемент. Только после новой теории об элементах ученые начали считать, что медь – это самостоятельный элемент, а не комбинация элементов. То же самое произошло со свинцом, золотом, серебром… Вот так были открыты первые тринадцать элементов. После этого ученые занялись поиском новых. Таким образом, в 1669 году был открыт фосфор, а в 1735 году – кобальт и платина.

Сегодня мы понимаем, что данное Бойлем определение элемента оказалось верным: элемент – это вещество, которое не может расщепиться на простейшие или мельчайшие частицы во время химической реакции. Сейчас мы понимаем, что все элементы состоят из миллионов и миллиардов мельчайших частиц материи, называемых атомами (слово произошло от использованного Демокритом atomos). Но это открытие было сделано английским ученым Джоном Дальтоном лишь в 1803 году.

Прорыв Дальтона очень часто называют «атомной теорией». Он предположил, что все атомы одного элемента (например, углерода) идентичны друг другу, и все атомы другого элемента (допустим, водорода) также будут идентичны друг другу. Но Дальтон не смог понять, почему атомы углерода отличаются от атомов водорода.

Несмотря на то, что ученые того времени много чего не знали, они одновременно и принимали, и отвергали атомную теорию. (Спойлер: они не смогли опровергнуть теорию, потому что этот труд является (и являлся) правильным.) За следующее столетие химики провели множество экспериментов, пытаясь найти нестыковки в теории Дальтона. Однако все факты по-прежнему подтверждали его гипотезу об атомах и элементах.

Однажды трое ученых, Жозеф Луи Гей-Люссак, Амедео Авогадро и Йёнс Якоб Берцелиус, попытались определить атомную массу элементов – и это привело к полнейшему хаосу. Каждый из троицы использовал разные техники и придерживался разных стандартов, из-за чего опубликованные ими труды полностью противоречили друг другу. Все выглядело настолько запутанно, что научное сообщество было вынуждено положиться на итальянского химика Станислао Канниццаро, который установил универсальный стандарт атомной массы.

Я совершенно необъективна, но если бы я активно занималась наукой в середине 1800-х годов, то даже и секунды не потратила бы на эту идею. Мне нравится разбирать и собирать обратно вещи, поэтому я поставила бы перед собой такой вопрос: если материя состоит из атомов, то из чего состоят сами атомы? Я по-прежнему не уверена кое в чем: у ученых викторианской эпохи было недостаточно технологий для исследований данного вопроса или им просто было неинтересно? К счастью, в конце 1800-х годов сэр Джозеф Джон Томпсон решил изучить строение атомов путем экспериментов с катодными лучами.

Чтобы провести эти эксперименты, Томпсон герметично запечатал стеклянную трубку с двумя металлическими электродами внутри. Проще говоря, вся конструкция выглядела как закрытая банка пива с двумя тонкими длинными полосками металла внутри. В своих экспериментах Томпсон (по возможности) выкачивал весь воздух из трубки, а затем пускал по электродам ток. В этот момент он видел разряд, передающийся от одного электрода к другому, – он назвал его катодным лучом.

В ходе этих экспериментов Томпсон определил, что катодные лучи притягиваются положительными зарядами и отталкиваются отрицательными. Он из раза в раз менял вид металла и обнаружил, что катодный луч всегда одинаковый. Томпсон был весьма доволен результатами, так как понимал, что сделал потрясающее открытие. Если катодный луч был одинаков для всех элементов и атомов, то он должен представлять собой один из блоков для формирования атома вне зависимости от его элемента. Однако примерно в то же время его коллега, Джон Дальтон, убедил общественность, что каждый атом уникален, и Томпсон забеспокоился: общественность не примет его открытие. Он продолжил проводить эксперименты.

В ходе экспериментов Томпсон выяснил, что катодный луч был легче любого известного атома. Это как если бы вы сравнивали массу всех дверных ручек в вашем доме с общей массой дома – их масса будет крошечной. Так было бы и с домом ваших родителей, и с домом соседей, и с любым другим. Томпсон обнаружил, что каждый «дом» (атом) состоит из одинакового набора «ручек», которые всегда легче общей массы. Это означало, что Томпсон смог определить маленький кусочек внутри атома. Знаете, тогда он только открыл электрон! Крошечные частицы с отрицательным зарядом.

Забегу немного вперед и скажу, что в атоме есть три составляющие: электроны, протоны и нейтроны. Протоны (частицы с положительным зарядом) и нейтроны (как вы уже догадались, частицы с нейтральным зарядом) находятся внутри ядра (в центре атома), а электроны вращаются снаружи. Представим: мое тело – это атом, а мои печень и почки – это протоны и нейтроны. Электронами будет все, что находится снаружи, например куртка или перчатки.

Мне не составит труда отдать кому-нибудь куртку или перчатки; то же самое происходит и с атомами, когда они обмениваются электронами. Однако забрать мою печень или почки будет уже не так-то просто. Это возможно? Да, возможно. Останусь ли я прежней после этой операции? Нет, не останусь. При передаче протонов возникают такие же трудности.

Элемент всегда определяется количеством протонов в ядре. Например, в атоме углерода всегда имеется шесть протонов, а в атоме азота – семь. Если атом азота каким-то образом потеряет один протон, то он перестанет быть азотом. Этот атом станет углеродом, так как в атоме углерода содержится шесть протонов. Это процесс из ядерной химии, и он никогда не проходит так просто. В большинстве случаев атом должен выстрелить нейтроном, чтобы начался ядерный распад. В настоящее время данный метод используется для генерации энергии (то есть электричества) на атомных электростанциях.

И хотя атомы очень редко теряют или приобретают новые протоны, они любят обмениваться электронами. За это ответственна структура атомов. Представьте, что вы одеваетесь в холодный зимний день. Как мы уже обсуждали, если вы атом, то ваши печень и почки будут ядром, где находятся протоны и нейтроны. Внутренний слой, прилегающий к телу – термобелье, – будет первым слоем электронов. Ваша кофта и штаны будут вторым слоем, и еще одним будут ваши куртка и болоньевые штаны.

Электроны, находящиеся на слое «куртки» или на внешней электронной оболочке (для краткости будем говорить «внешняя оболочка»), очень важны в химии. Такие электроны называются валентными, и атом с легкостью ими обменивается. Как слои одежды защищают нас зимой от низких температур, так и внешняя оболочка защищает «внутренности» атома – внутреннюю оболочку.

Электроны, находящиеся на внутренней электронной оболочке, не способны реагировать с другими атомами, так как они ограждены валентными электронами. Точно так же ваши коллеги не могут увидеть ваше нижнее белье, так как оно «ограждено» кофтой или курткой. И это идет атомам на пользу. Дело в том, что каждый слой электронов имеет отрицательный заряд, из-за чего слои отталкиваются друг от друга. Это значит, что между ними всегда есть небольшие расстояния – точно такие же, какие получаются между вашей курткой и кофтой.

Позвольте мне развить эту метафору. Атомы могут быть разного размера, и все сходится на том, сколько слоев «носит» атом. Кто-то может ходить в многослойной одежде, чтобы согреться в холодную погоду, а кто-то круглый год ходит в шортах и сандалиях. Это работает и с атомами: у маленьких атомов намного меньше электронных слоев, чем у больших.

Когда я говорю о валентных электронах, я имею в виду электроны на «курточном» слое внешней оболочки атома. В солнечный день вы снимите куртку, чтобы лучи падали прямо на вашу кожу… То же самое и с валентными электронами: атом всегда готов «распрощаться» с ними, чтобы те вступили в реакцию с внешними силами. Это может показаться шокирующим, но до 1932 года ученые не имели представления о том, что я вам только что рассказала. Во многом это связано с тем, что они были вынуждены работать в изоляции, поэтому обладали ограниченной информацией (просто вспомните времена до появления интернета). До недавнего времени изучение химии было медленным и монотонным процессом. К счастью, теперь нам известно, что атомы состоят из протонов, электронов и нейтронов, а также что они могут обмениваться электронами. К тому же примерно в то время ученые поняли, что им нужен один способ классификации атомов. И тогда была создана периодическая таблица.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычный справочник, который вы используете на уроках естествознания. Для меня и подобных мне ученых она важна тем, что, только посмотрев на нее, я могу получить всю нужную информацию об определенном элементе, его характеристиках и о том, как атомы этого элемента будут себя вести.

Давайте начнем с основ. Когда таблица только разрабатывалась, нужно было присвоить каждому элементу химическое название и символ. Это может показаться чем-то простым, но на самом деле все не так. Часто бывало, что два человека в один и тот же момент открывали – или им казалось, что они открыли – один и тот же элемент и давали ему разные названия. И тогда вставал вопрос: а какое название верное? Как вы понимаете, тогда возникало множество споров, например, когда панхромий был назван ванадием или когда вольфрам был назван тунгстеном.

Еще совсем недавно, в 1997 году, между США, Россией и Германией шла ожесточенная борьба из-за названий элементов со 104-го по 109-й. В 2002 году Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) дал рекомендации касательно того, как следует называть элементы. Сейчас эти рекомендации соблюдаются, но иногда может пройти около десяти лет, прежде чем новому элементу дадут официальные название.

Определить химический символ каждого элемента было намного проще, так как обычно это аббревиатура названия: Н – это водород, а С – углерод. Но символы некоторых элементов не так очевидны. Например, химический символ железа – Fe – происходит от латинского ferrum. Сюда же можно отнести W – вольфрам (tungsten) и Hg – hydrargyrum (ртуть).

Когда каждому элементу присвоены имя и символ, вычисляется его атомный номер (или зарядовое число). Он равен количеству протонов в ядре. Водород имеет первый атомный номер, и это означает, что в его ядре один протон. На данный момент самым большим порядковым номером является 118. Элемент под именем оганесон (Og), в его ядре, как можно догадаться, 118 протонов. А это означает, что оганесон должен иметь 118 электронов снаружи ядра. Дело в том, что атомный номер указывает не только на количество протонов в ядре, но также и на количество электронов вне ядра. Важно помнить, что все элементы по сути являются нейтральными. Следовательно, количество протонов внутри ядра равно количеству электронов снаружи. Если бы мы посмотрели на атомный номер водорода – 1, – то поняли бы, что у него один протон и один электрон. Немного подробнее: протон внутри имеет положительный (+1) заряд, который нейтрализует электрон с отрицательным (–1) зарядом, делая элемент нейтральными. То же самое и с оганесоном: (118) + (–118) = 0.

К сожалению, с нейтронами не все так просто. Число нейтронов колеблется от атома к атому, даже если это атомы одного и того же элемента. Поэтому химики решили добавить еще одно число в периодическую таблицу – атомная масса. Это сумма протонов и нейтронов внутри ядра элемента. В отличие от атомного номера, атомная масса редко является целым числом. Дело в том, что ученые используют средневзвешенное количество нейтронов в атоме, а затем добавляют его к сумме протонов. Так и определяется атомная масса элемента.

Как правило, в отдельных атомах поддерживается соотношение протонов и нейтронов, равное 1 к 1. Это означает, что мы сможем узнать атомную массу, если удвоим атомный номер. Например, атомный номер магния – 12, а его атомная масса – 24,31 (12 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 12,31). Атомный номер кальция – 20, а его атомная масса 40,08 (20 протонов и средневзвешенное количество нейтронов, равное 20,08).

Но из каждого правила есть исключения. Например, порядковый номер урана – 92, поэтому ожидается, что его атомная масса будет составлять 184. Однако она составляет 238,03 из-за изотопов урана, в которых содержится различное количество нейтронов. Большинство атомов, подобных урану, имеют несколько изотопов. Изотоп возникает в том случае, если два или более атома одного элемента имеют различное количество нейтронов. Мы не выделяем «лучшие» изотопы; мы собираем все атомы и вычисляем среднее количество нейтронов. Затем это число используется в подсчете атомной массы. Уран называется уран-238. Магний и кальций – магний-24 и кальций-40 соответственно.

Изотопы

Обычно я говорю, что изотопы – это атомы со своим характером. Они образуются, когда два или больше атома одного элемента имеют разное количество нейтронов. Изотопы хорошо распространены, однако в школе мы не уделяем достаточно времени на их изучение, так как нейтроны нейтральны. Соответственно они не влияют на поведение атома в химической реакции. (Вместо этого мы сосредотачиваемся на том, что влияет на поведение атома: протонах и электронах.)

Как я уже говорила, ученые охарактеризовали каждый открытый электрон. И знаете, я считаю, что это круто. Как и Lady Gaga, изотопы были «рождены такими» и совершенно спокойно существуют с парой лишних нейтронов.

Прекрасный пример – углерод. Большинство атомов углерода имеют шесть нейтронов и шесть протонов. Однако у некоторых их семь или восемь. Лишние нейтроны никак не влияют на свойства атомов углерода, однако это делает их всех изотопами.

Это можно сравнить с собаками. Представьте двух далматинцев: они выглядят одинаково, но у одного на несколько пятен больше. Две собаки практически одинаковые, и эти несколько «лишних» пятен не означают, что одна из них больше не далматинец. Точно так же работают изотопы: дополнительные нейтроны не меняют атом, элемент или реактивную способность. Это просто дополнительное определение.

Когда ученые определились с химическим названием, символом, атомным номером и атомной массой для каждого из элементов системы, они решили организовать вещества таким образом, чтобы можно было предугадать их химическую активность. Ученым было важно знать, что при реакции между двумя элементами не случится взрыва или выделения ядовитых газов. Лучший способ сделать это – найти между атомами что-то общее, сгруппировать их по физическим и химическим свойствам. Было сделано несколько попыток. Немецкий химик Иоганн Дёберейнер хотел распределить все элементы в группы по три, он заметил, что большие атомы чаще склонны к взрыванию. Вскоре другой немецкий химик, Питер Кремер, попытался объединить две триады, чтобы образовалась Т-образная фигура. Проблема заключалась в том, что при подобном раскладе ученым пришлось бы проверять множество триад, что сильно осложнило бы сравнение одной группы с другой.

Однако было двое ученых, работавших отдельно, – Дмитрий Менделеев и Лотар Мейер, – которые решили, что можно расставить все химические элементы в одной таблице в зависимости от их атомной массы. Они собрали все Т-образные триады Кремера – словно головоломку – и получили первую таблицу химических элементов.

Уникальность периодической таблицы Менделеева заключается в том, что в ней были два «новых» элемента. Составляя таблицу, химик заметил, что между атомными массами элементов существует закономерность, и понял, что ему нужно оставить место для еще двух элементов, которые только предстоит открыть. Пример: предположим, что учитель математики предложил вам определить пропущенное число в ряде: 2, 4, 8, 10. Надеюсь, вы понимаете, что отсутствует число 6 и что полный ряд должен выглядеть так: 2, 4, 6, 8, 10.

В принципе, Менделеев сделал то же самое. Были группы атомов с одинаковым числом валентных электронов, но структура атомных масс отличалась. Менделеев предположил не только то, что нам предстоит открыть новые элементы, но и то, какой атомной массой они будут обладать. И, как и множество ученых, о которых я уже говорила, Менделеев оказался прав. Галлий (Ga) и германий (Ge) были открыты в 1875 и 1886 годах соответственно, и вот тогда труд Менделеева по-настоящему оценили.

Современная периодическая таблица основана на периодической таблице, созданной Менделеевым. Она состоит из семи периодов и восемнадцати групп. Каждая ячейка – это отдельный элемент; в ячейке пишется основная информация об элементе: химический символ, химическое название, атомный номер, атомная масса. Имея всю информацию под рукой, химики вроде меня и вас могут с легкостью определить количество протонов, электронов и валентных электронов того или иного атома.

Периодическая таблица очень важна для ученых: она может дать много информации об элементах, из которых состоит вся материя этого мира. Важна настолько, что в прошлом году мой университет отпраздновал 150-летие таблицы Менделеева и по этому поводу устроил вечеринку. Там была таблица, выложенная из кексов, я продемонстрировала несколько опытов, декан нашего университета произнес прекрасную речь. Это была самая «ботанская» вечеринка в моей жизни, и знаете, она мне очень понравилась!

В книге есть таблица Менделеева, однако если вам удобнее работать с электронной версией, то я настоятельно рекомендую сайт ptable.com. Я еще буду обращаться к периодической таблице, поэтому мне важно убедиться, что вы знаете, как правильно ею пользоваться. Я буду ссылаться на таблицу в разделе, посвященном здоровью и благополучию. Также она нам понадобится, когда мы будем определять влияние химии на повседневную жизнь. Нам важно знать положение элементов в системе: чем быстрее мы найдем необходимый нам элемент, тем быстрее сможем работать. Понимание периодической таблицы позволит понять, почему вы должны постоянно пользоваться одной и той же маркой шампуня и кондиционера для волос, а также почему ваши торты выглядят совсем не так, как в шоу «Лучший пекарь Британии».

Давайте рассмотрим один пример. Откройте периодическую таблицу и найдите ячейку с химическим символом водорода H в верхней левой части. Если вы посмотрите в верхний левый угол ячейки H, то увидите там число 1. Это атомный номер элемента, и он всегда стоит именно там. В нижней части вы видите число 1,008 – это атомная масса.

Вы можете заметить, что водород располагается в начале столбца. Столбцы называются группами или семействами, а номер группы указывает на количество валентных электронов каждого из элементов. (Помните, что валентные электроны располагаются на внешней оболочке, как наша крутка.)

Говорите как химик

Если вы хотите казаться настоящим химиком, то вычтите число 10 из номеров столбцов периодической таблицы. Большинство ученых ссылаются на группы 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вместо столбцов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соответственно. Дело в том, что номер группы обозначает количество валентных электронов. Мы не используем это «правило» для столбцов 3–12, так как с элементами этих групп закономерность не всегда работает. Для столбцов 13–18 мы используем сокращенную запись, так как количество валентных электронов позволяет нам предсказать, как тот или иной атом будет вести себя в разных средах.

Например, водород стоит в первом столбце, значит, у него может быть только один валентный электрон. Точно такая же ситуация с литием, натрием и остальными элементами первой группы. Из этого мы можем сделать вывод, что все элементы первой группы будут вести себя одинаково в похожих средах и условиях. Важно отметить, что водород (и остальные элементы первой группы) любит отдавать свой электрон и становиться чрезвычайно реакционноспособным. Почему?

Логично предположить, что элемент с одним валентным электроном сделает все, чтобы сохранить этот электрон. Однако на самом деле ситуация обратная. Электрон отталкивается от ядра. Очень странно, правда?

Давайте рассмотрим это подробнее. Мы знаем, что ядро (ваша печень и почки) имеет положительный заряд; электроны (кофта и куртка) будут притягиваться к положительно заряженному ядру. Но если к атому присоединяются еще несколько электронов, то появляется вероятность, что электроны будут отталкиваться от ядра. Другими словами, ваша кофта буде отталкивать куртку. Следовательно, ядро не будет пытаться удержать один или два валентных электрона, наоборот: внутренняя оболочка начнет отталкивать валентные электроны на внешней (или ваша кофта начнет отталкивать куртку).

Именно поэтому атомы с двумя электронами чрезвычайно реакционноспособные. Они стабильнее элементов с одним электронов, однако свои валентные электроны отдают так же легко. Бериллий, магний, кальций и стронций являются прекрасными примерами элементов с двумя валентными электронами. Их электроны отталкиваются от ядра точно так же, как и электроны первой группы.

Углерод и кремний располагаются в четвертом столбце, так что у них по четыре валентных электрона. Следовательно, в одной и той же среде эти два элемента будут вести себя похоже. Так как химики уже знают, что углерод и кремний являются стабильными элементами, мы думаем, что любой элемент четвертой группы будет также стабилен – например, как германий, олово или свинец.

Менделеев оказался прав, когда думал, что будущие химики захотят предсказать, как элементы будут взаимодействовать друг с другом. Именно поэтому он создал периодическую таблицу такой, какой мы ее видим сейчас, – основанной на атомных массах и валентных электронах элементов. (Это также объясняет и то, почему форма таблицы напоминает чашу, а не прямоугольник. Свободное пространство в верхней части позволяет расположить элементы в соответствии с их физическими и химическими свойствами.)

Если вы будете двигаться вниз по столбцу периодической таблицы, то обнаружите, что атомы становятся все больше. По правде говоря, самые крупные атомы располагаются в нижнем левом углу, а самые маленькие – в верхнем правом.

Каждая строка – или период (отсюда и название таблицы) – это дополнительный «слой» электронов для определенного атома. По мере того, как вы перемещаетесь по строке (слева направо), атомы будут становиться все меньше и меньше. Кажется странным, да? Как гелий может быть меньше водорода?

По мере продвижения вправо каждый элемент получает дополнительный протон и электрон. Это означает, что положительный заряд увеличивается всякий раз, когда увеличивается атомный номер элемента. Чем больше положительный заряд, тем сильнее к ядру притягиваются валентные электроны.

Например, атомная масса водорода составляет +1. Так как он располагается в первой группе, то имеет один валентный электрон. Следовательно, заряд +1 ядра притягивается к заряду –1 электрона.

А теперь давайте сравним это с притяжением внутри атома гелия. Так как гелий располагается во второй группе, то у него имеется 2 протона и 2 электрона. Притяжение между зарядом ядра и зарядом электронов гелия намного сильнее, чем притяжение между зарядом ядра и зарядом электрона водорода. Это значит, что валентные электроны гелия притягиваются к ядру с большей силой. Следовательно, атомный радиус будет меньше атомного радиуса водорода.

Если мы посмотрим на отталкивание электронов и притяжение между протонами и электронами, то заметим некоторые закономерности. Существует простой способ, с помощью которого можно запомнить, как работают периоды и группы: многослойный франций (авторский термин. – Прим. науч. ред.). Франций является одним из самых больших атомов в периодической таблице, и он располагается в левом нижнем углу с атомным номером – 87. Он имеет 87 протонов, 87 электронов и около 136 нейтронов. Если бы франций был человеком, то на нем было бы ОЧЕНЬ МНОГО одежды.

С помощью таблицы вы также можете узнать, насколько легко «изменить» атом. Помните, что атомы могут терять или приобретать электроны; это сравнимо с тем, как человек снимает или надевает куртку, а в случае с большими элементами, например францием, человек снимает слой одежды.

Мы описываем готовность элемента отдать или получить электрон как сродство к электрону. Большинство элементов в верхнем правом углу, например фтор или кислород, имеют большое сродство к электрону. Это значит, что они всегда могут принять дополнительный электрон от соседнего атома, при этом фтор реакционноспособнее кислорода.

Что такое анион?

Атом, который получает или теряет электрон, мы называем ионом. Термин «анион» используется для обозначения атома, получившего один или несколько электронов, а термин «катион» для обозначения атома, потерявшего один или несколько электронов.

Анион всегда имеет отрицательный заряд, так как количество электронов у него превышает количество протонов. Кроме того, он больше нейтральных атомов. Если бы муж одолжил мне свой пуховик, в нем я казалась бы крупнее. Атом, получивший дополнительный электрон (который теперь называется анионом), станет крупнее. В качестве примера возьмем фтор. Атомы фтора всегда готовы принять один электрон, чтобы превратиться во фторид-ион ([F]-). В нейтральном состоянии фтор бесполезен для человеческого организма; однако, как только он превращается во фторид, то он сразу становится полезным макроэлементом. Например, с помощью фторида можно предотвратить развитие кариеса или стимулировать рост костей в организме. Трудно представить, что один крошечный электрон может иметь такое большое влияние на химические свойства атомов.

Термин «катион» используется для классификации атомов, потерявших один или несколько электронов. Вернемся к примеру с пуховиком моего мужа. Отдав его мне – отдав электрон, – он стал бы катионом. Катионы всегда обладают положительным зарядом, так как количество протонов в них превышает количество электронов. Катионы на вид меньше нейтральных атомов. То же самое произошло бы с моим мужем, если бы он отдал мне пуховик, – он бы визуально уменьшился.

В отличие от анионов, катионы располагаются в верхнем левом углу периодической системы, например литий и бериллий. У этих элементов имеется один или два валентных электрона, которые легко могут быть переданы другому атому. Именно поэтому такие элементы с большей вероятностью станут катионами, а не анионами.

Особенно это относится к элементам, расположенным в первой группе, например к литию. Чтобы стать катионом лития (Li+), его атому нужно отдать один электрон. Ионы катиона лития используются при лечении биполярного расстройства: с его помощью можно воздействовать на чувствительность мозга к дофамину. При этом нейтральный литий не оказывает никакого полезного воздействия на человеческий организм. И снова мы наблюдаем, как приобретение или утрата одного электрона может сильно изменить физические свойства атома.

Напоследок я хочу рассказать вам о восьмой группе (восемнадцатый столбец). Элементы в ней инертны или неактивны: они не хотят приобретать или отдавать электроны. Знаете, когда я думаю о таких элементах, как гелий или неон, сразу представляю человека, который решил провести субботний вечер дома в одиночестве, а не на шумной вечеринке. Все элементы этой группы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) принято называть инертными газами, они очень редко вступают в химические реакции с другими элементами.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычная шпаргалка. Посмотрев на нее, мы увидим открытия тысяч – или сотен тысяч – ученых по всему свету. С помощью таблицы можно делать множество удивительных вещей: проводить диагностики и исследования для выявления рака, изобретать полупроводники, которые потом будут работать в солнечных панелях… Даже литий-ионные батареи в вашем ноутбуке или телефоне – это результат взаимодействия элементов из периодической таблицы (батареи работают только из-за того, что электроны движутся внутри атомов и между ними). По правде говоря, чем лучше вы понимаете основную структуру атома, тем легче вам будет понять, как проходят электронно-протонные взаимодействия.

А теперь, когда мы разобрались, как устроен атом – протоны, нейтроны, электроны, – самое время увидеть, что же происходит, когда объединяются два атома разных элементов. И именно здесь химия становится очень интересной: знаете, притяжение между атомами похоже на свидание или встречу с другом. Будет ли их тянуть друг к другу? Как они отреагируют? Смогут ли они сформировать связь?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

В предыдущей главе вы узнали, что атомы являются строительными блоками буквально всего во Вселенной. Но как эти блоки собираются вместе и формируют объекты? Например, компьютер? Или салатный соус? Или ледяное пиво?

С помощью электронов.

Если два или более атома соединяются, то образуется связь и происходит обмен или передача электронов. Связь могут иметь молекулы или сложные вещества. Отдельный атом никогда не станет молекулой или сложным веществом, потому что он всегда остается просто «атомом».

Но прежде чем мы перейдем к химическим реакциям, вам важно понять, что очень часто химики называют совокупность молекул «видом», «веществом» или даже «системой». Эти термины являются синонимами и обозначают одно и то же – совокупность молекул. Итак, когда я говорю о виде, вы должны понимать, что я имею в виду совокупность молекул. А когда я говорю о молекуле, то тут уже все и так понятно. Круто? Круто.

Сформированные между атомами связи увидеть очень легко, если понимать, что искать и куда смотреть: например, как соль растворяется в океане или как маска для лица «растворяет» комедоны. Атомы притягиваются друг к другу, и в этом они очень похожи на нас, людей! Так как протоны обладают положительным зарядом, а электроны – отрицательным, происходит нейтрализация (а это именно то, к чему стремятся все атомы).

Когда атомы находятся рядом друг с другом, они испытывают взаимное притяжение. Поскольку электроны располагаются снаружи атома, а протоны – внутри, то происходит два притяжения.

Пример: у нас есть два атома, атом А и атом В. Электроны атома А будут притягиваться к протонам атома В, а электроны атома В – к протонам атома А. Единственное, что может помешать электронам и протонам соединиться, так это то, что электроны двух атомов будут отталкивать друг друга.

Атомы могут не образовать связь, если они будут находиться слишком близко друг к другу. Если в кофейне о вас начнет тереться незнакомец, вы оттолкнете его, верно? Когда незнакомец вторгается в наше личное пространство, мы всегда стараемся создать дистанцию – нам просто будет так комфортнее. Иногда это означает, что нам нужно встать и уйти; у атомов этот процесс происходит точно так же. Если электроны одного атома находятся слишком близко к электронам другого, то они отталкиваются друг от друга и отдаляются на некоторое расстояние.

В конце концов, два атома могут находиться на идеальном расстоянии, при котором притяжение между электронами и протонами будет сильнее отторжения между двумя видами электронов. Проще говоря, притяжение между протоном и электроном достигнет своего максимума, а отторжение между электронами – минимума. Когда происходит такая ситуация, может образоваться связь.

Давайте представим, что вы и незнакомец из кофейни находитесь на комфортном расстоянии и заводите разговор. Если вас притягивает друг к другу, вы перейдете на следующую ступень: установление постоянной связи. Вероятно, вы встретитесь еще пару раз за чашечкой кофе или обменяетесь номерами телефонов. Но так как мы все-таки говорим о соединении атомов, то представим, что на следующей ступени они берутся за руки.

Когда атомы «берутся за руки», они образуют связь. По сути, связь в химии – это соглашение между двумя атомами. Теперь они будут всегда вместе, до тех пор, пока не появится более привлекательный атом. Представим, что я держусь за руки с прекрасным незнакомцем, и я буду делать это до тех пор, пока в помещение не войдет Райан Рейнольдс. Тогда я отпускаю руку того прекрасного незнакомца и бросаю его, чтобы установить «лучшую» связь. То же самое происходит с атомами.

Но есть небольшое различие. Я могла бы уйти в закат с Райаном Рейнольдсом и быть той же самой Кейт, которая недавно вошла в кофейню, и той же девушкой, которая держала за руку незнакомца. Ни Райан, ни незнакомец не забрали мою руку или ногу, верно? К сожалению, у атомов А и В не всегда все проходит так мирно.

В отличие от меня и незнакомца, когда два атома решают соединиться друг с другом, они перестают существовать как два отдельных, независимых атома. Когда они образуют связь, сразу же происходит обмен электронами. Поэтому иногда после распада связи атом А может иметь один или два электрона атома В.

Но когда атомы остаются вместе, мы стараемся проанализировать, насколько равномерно электроны распределяются между ними. И чтобы сделать это, нам нужно изучить характер атома, исследовать его состав. Самый простой способ сделать это – классифицировать атом как металл или неметалл. К счастью, отличить два этих типа друг от друга очень просто как в лаборатории, так и в обычной жизни.

Для начала, если металлы очистить, то они очень красивые. Металлы, например золото, кобальт или платина, блестят: они обладают способностью отражать падающий на них свет. К тому же большинство металлов имеют свойства ковкости и пластичности, благодаря чему они идеальны для изготовления ювелирных украшений. (Мы используем эти термины для описания металла, форму которого можно изменять.) Металлы также обладают высокой теплопроводностью, о чем вы, скорее всего, уже знаете: вы обожжетесь, если прикоснетесь к горячей кастрюле на плите. А кроме того, высокой электропроводностью. Это означает, что электроны большинства металлов могут перемещаться между металлами практически без сопротивления. Именно поэтому стоять во время грозы с зонтом – не самая лучшая идея. Металл, из которого обычно делается ручка (а также верхняя часть зонта), притягивает к себе молнию. А так как металлы хорошо проводят электрический ток, то именно из-за электронов люди умирают от удара током. С другой стороны, мы очень часто пользуемся этим свойством металлов, например, когда делаем аккумуляторы для телефонов.

Металлы с легкостью отдают свои электроны другим атомам, но при этом они редко образуют связи, в которых им нужно принимать чужие электроны. Металлы очень похожи на Санта-Клауса: он очень любит дарить подарки, но не любит их получать! (К сожалению, у атомов нет эквивалентов молока и печенья.) При объединении с другим металлом они должны принять чужой электрон; поэтому они стараются избегать подобных связей.

Элементы из группы неметаллов не отражают свет, непластичны и не обладают ковкостью. Термин «ковкость» используется в том случае, если вещество (обычно это металл) можно вытянуть в тонкую проволоку. Но что определяет неметаллы? Ну, они не являются металлами. (Да-да, я знаю, что это очевидно.) Большинство твердых неметаллов не блестят. Газообразные неметаллы в основном бесцветны, а это значит, что мы даже не можем увидеть эти элементы или сделать из них украшения.

Что вам еще нужно знать о неметаллах? Они обладают плохой тепло- и электропроводностью. Электроны с трудом двигаются в подобных элементах, так что многие из неметаллов инертны. (Вот почему все инертные газы, о которых я рассказала вам в прошлой главе, не вступают в химические реакции.) Проще говоря, их электроны не могут переходить от одного атома к другому так же легко, как у металлов.

Большинство неметаллов располагаются в верхнем правом углу периодической таблицы, начиная с углерода в четвертой группе и так по восьмую. В периодах ниже углерода неметаллы располагаются выше диагонали кремний – астат.

Металлов в пять раз больше, чем неметаллов, но при этом 99 % всего во Вселенной состоит из водорода и гелия – неметаллов! Другой неметалл – газообразный кислород – очень важен для выживания человечества. Самое интересное, что некоторые неметаллы стабильны, а некоторые – невероятно реакционноспособны.

Возможно, вам интересно, почему я так много времени уделяю металлам и неметаллам. Дело в том, что состав атома (это металл? или нет?) – первое, что необходимо понять перед определением того, какой тип связи образуется внутри молекулы того или иного элемента. В химии есть два основных вида связи: ковалентная и ионная.

Давайте начнем с ковалентной.

Простейшая форма ковалентной связи – это одинарная связь. Она образуется в том случае, если между двумя атомами есть одна общая электронная пара. По правде говоря, все ковалентные связи образуются тогда, когда у двух атомов появляются общие электронные пары. При одинарной связи каждый атом отдает по одному электрону. Давайте вернемся к предыдущему примеру и рассмотрим связь, которую я установила с Райаном Рейнольдсом.

Представим, что Райан левой рукой держит меня за правую руку. Между нами есть два электрона, и мы находимся на расстоянии вытянутой руки. На таком расстоянии я начинаю чувствовать, что мои «электроны» притягиваются его «протонами». И тут Райан решает образовать двойную связь: он поднимает свою свободную правую руку и берет меня за мою левую. Теперь мне нужно немного повернуться, чтобы нам было удобно. Расстояние между мной и Райаном сокращается; теперь мы стоим лицом к лицу. Наша «связь» стала крепче, так как между нами образовалось две связи. (Отсюда и происходит название «двойная связь».)

Двойная связь намного прочнее одинарной, а из-за расположения электронов атомы могут находится близко друг к другу. При двойной связи между двумя атомами располагаются четыре электрона: по одному в каждой «руке».

Чтобы образовать тройную связь, Райану нужно будет обхватить меня ногой (только не рассказывайте моему мужу!). Тройная связь позволяет атомам находиться невероятно близко друг к другу. Теперь мы с Райаном образовываем три связи: по связи на каждую пару рук и еще одна в том месте, где он обхватывает меня ногой. У нас есть три общих места, где мы обмениваемся электронами.

Немного математики: у нас есть три связи, в каждой связи – два электрона. Получается, что у нас есть шесть электронов, общих для двух атомов. Это одна из причин, почему тройная связь обладает большой прочностью и почему ее так сложно разорвать. К тому же в тройной связи атомы располагаются ближе друг к другу, так как у них есть шесть общих электронов.

Одинарные, двойные и тройные связи являются самыми распространенными типами связей в ковалентных молекулах. Вы взаимодействуете с ними постоянно. Например, они есть в вашем шампуне, зубной пасте или даже кружке утреннего кофе – а еще в вашей одежде, косметике и дезодоранте. Чуть позже я расскажу о том, что ковалентные связи постоянно окружают нас, где бы мы ни находились. Осмотритесь: большинство вещей возле вас содержат ковалентную связь. А я даже не знаю, где вы сейчас! Вот настолько распространены ковалентные связи в нашем мире.

Ученые определяют ковалентные связи по тому, как атомы делят электроны. Распределение происходит равномерно? Или один из атомов постоянно забирает себе все электроны? Если два атомы распределяют электроны поровну, то связь называется чисто ковалентной. Она может образоваться только в том случае, если электроны атома А притягиваются к протонам атома В так же сильно, как и электроны атома В притягиваются к протонам атома А.

Возможно, вам будет чуть проще, если вы начнете думать о чисто ковалентных связях как о романтических отношениях. Я могу установить чисто ковалентную связь только в том случае, если мое сердце будет притягиваться к телу другого человека, а его сердце будет притягиваться к моему телу. Как сильно его внутренности будут притягиваться к моей внешности? Если притяжение с обеих сторон одинаковое, то образуется чисто ковалентная связь.

Однако, как и в любви, очень редко случается так, чтобы между атомами было совершенно одинаковое притяжение. Большинство притяжений не сбалансированы. Когда атомы притягиваются друг к другу с разной силой, это уже не чисто ковалентная связь. Такая связь называется полярной ковалентной. Давайте немного поговорим об электрических силах в притяжении – и нет, я говорю не о пробегающей искре между вами и очень милым незнакомцем. С помощью электроотрицательности химики определяют, как сильно электроны атома А притягиваются к протонам атома В. Полярные ковалентные связи образуются в том случае, когда два атома обладают разной электроотрицательностью; при этом в чисто ковалентной связи электроотрицательность атомов одинаковая.

Ну как, вы все еще держитесь? Отлично. Напомню, что в чисто ковалентной связи два атома в равной степени обмениваются электронами. Однако в полярной ковалентной связи один из атомов притягивается сильнее другого. Как правило, ученые знают, какой электроотрицательностью обладает тот или иной атом. Все это можно найти в периодической таблице. Атомы с высокой электроотрицательностью расположены в верхнем правом углу рядом с фтором, кислородом, азотом и хлором. Эти четыре атома привлекают другие. Например, самые электроположительные атомы – которые практически не притягивают к себе – расположены в верхнем левом углу периодической системы. К ним, например, можно отнести литий, бериллий, натрий и магний.

Химики хотят выяснить, какой атом обладает большей электроотрицательностью внутри полярной ковалентной связи, так как им важно понимать, к какому атому притягиваются электроны. Положение электронов внутри молекулы определяет ее поведение с другими молекулами. Не забывайте, что химики обожают предсказывать результаты химических реакций.

Многие химики считают молекулы с равномерным распределением электронов скучными, ведь они, как правило, не вступают в реакции и взаимодействуют только с точно такими же молекулами, у которых электроны внутри распределены равномерно. Молекулы с неравномерным распределением электронов отличаются высокой реакционной способностью. И химики вроде меня обожают работать с такими, ведь такие молекулы предпочитают взаимодействовать с другими реакционноспособными молекулами.

А теперь давайте представим, что в периодической таблице указано, что Райан Рейнольдс в связи со мной является менее привлекательным партнером (он электроположительный[2]). Так как я электроотрицательнее его, можно предположить, что в скором времени валентные электроны Райана попытаются покинуть его тело и встроиться в мое. Электроны через ковалентную связь в наших руках будут перемещаться сначала от его руки к моей, а затем вверх, пока не достигнут моих плеч. Тогда они останутся в моем теле до тех пор, пока связь не разрушится. В момент разрушения связи эти электроны могут либо покинуть мое тело, либо остаться со мной навсегда.

Давайте рассмотрим такое взаимодействие в реальности. Когда между углеродом и фтором образуется связь (C – F), ученые первым делом смотрят в периодическую таблицу. Очень важно определить, какой атом будет более электроотрицательным. (В данном случае более электроотрицательным будет фтор.) Из этого мы понимаем, что валентные электроны углерода переместятся к фтору через образованную ковалентную связь.

Так как электроны с большей электроотрицательностью забирают большую часть электронов в связи, очень часто им присваивается символ «частичного» негативного заряда (δ—). Электроотрицательный электрон притягивает электроны, поэтому обладает частично негативным зарядом. Как вы уже понимаете, электроположительный атом, только что потерявший часть своих электронов, будет иметь частично положительный заряд (δ+). Слово «частично» указывает на то, что электроны не до конца распределились между атомами – обычно это происходит в ковалентных связях («руки» атомов).

Все это прямо противоположно связям, образующимся между металлами и неметаллами. Связь металл – неметалл возникает точно так же, как и ковалентная: атомы находятся достаточно близко друг к другу и между ними появляется притяжение. Но, в отличие от ковалентных связей, такой тип связи образуется только в том случае, если электроны передаются от одного атома к другому. А точнее, когда металл передает свой электрон неметаллу. В момент передачи образуется ионная связь.

Очень важно понимать, что при образовании ионной связи атомы не имеют общих электронов. Они передают свои электроны, из-за чего образуется положительный ион металла и отрицательный ион неметалла (в отличие от частичных зарядов в ковалентных связях). Всегда помните, что противоположности притягиваются, из-за чего катион металла будет невероятно сильно тянуться к аниону неметалла.

Если ковалентную связь можно сравнить с двумя людьми, состоящими в здоровых отношениях, где любовь дают и принимают, то ионную связь можно сравнить с отношениями, где один только дает, а другой – только забирает. Ионная связь является односторонней, так как катион (с меньшим количеством электронов) всегда отдает, а анион (с бо́льшим количеством электронов) всегда принимает.

Как и ковалентные, ионные связи постоянно вокруг нас. Например, столовая соль образована с помощью ионной связи между атомом натрия и атомом хлора. Когда натрий (металл) отдает свой электрон хлору (неметалл), атом хлора становится анионом, а атом натрия – катионом. В столовой соли хлор – это «принимающий» партнер, а натрий – «отдающий».

Теперь, когда вы понимаете основы образования ковалентных и ионных связей, давайте перейдем к более интересным вещам.

Секретная формула

Для записи атомов в молекуле мы используем молекулярные формулы. Есть два типа формулы: структурная и сокращенная. Большинство людей знакомы с сокращенной молекулярной формулой, из которой понятно, какие атомы находятся в молекуле и в каком соотношении.

Давайте поговорим о H_2O. Вода имеет два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее сокращенной молекулярной формулой будет H_2O. Индекс два после водорода указывает на то, что вода состоит из двух атомов водорода. В сокращенных молекулярных формулах индекс всегда пишется после атома, к которому он относится.

Однако из сокращенной молекулярной формулы непонятно, какие связи образованы внутри молекулы. Если вы посмотрите на молекулярную формулу H_2O, то можете (неверно) предположить, что молекула выглядит вот так: H – H – O. Может показаться, что два атома водорода связаны друг с другом; однако на самом деле молекула воды образуется в том случае, когда каждый атом водорода связан с атомом кислорода, и выглядит вот так: H – O – H. Вы не можете просто посмотреть на H_2O и сразу же определить, как связаны между собой атомы водорода и кислорода (конечно, если вы не сильны в химии).

Мы, химики, используем формулу другого типа – структурную молекулярную, чтобы обозначить расположение атомов в молекуле. Так как каждый атом водорода связан с атомом кислорода, его структурная формула выглядит вот так: HOH. Из этой формулы понятно, что водород А связан с атомом кислорода, который также связан с водородом В: H – O – H. Но как понять, какую формулу нужно использовать? Это зависит от обстоятельств.

Химики предпочитают структурные формулы, поскольку из них можно извлечь больше полезной информации. Однако при работе с молекулой, содержащей громадное количество атомов, нет смысла составлять структурную формулу, ведь она получится длинной, сложной и неудобной. Следовательно, самым распространенным способом записи молекулы будет сокращенная молекулярная формула.

Помните, я как-то говорила, что в двойных и тройных связях расстояние между атомами должно быть небольшим? Все из-за того, что молекулы имеют уникальную форму. Возможно, вы удивитесь, если я скажу, что форма молекулы не определяется атомами, из которых она образована. На самом деле ее форма зависит от того, чем одержимы все химики. От электронов.

Еще в 1950-х годах два химика, Рональд Гиллеспи и Рональд Синдей Найхолм, заметили некоторые закономерности в форме молекул. Неудивительно, что они быстро определили зависимость формы молекулы от расположения электронов в пространстве, а не от идентификации атомов. В 1957 году Гиллеспи и Найхолм опубликовали теорию ОЭПВО (теория отталкивания электронных пар валентной оболочки), благодаря которой можно было с точностью предсказать геометрическую форму любой молекулы, зная количество и расположение электронов.

Например, мы знаем, что молекула с двумя атомами имеет линейную форму. Не существует другого способа объединения двух атомов с помощью одной связи. Все молекулы с двумя атомами будут иметь линейную форму, вне зависимости от того, из каких атомов они состоят.

Угарный газ – это классический пример двухатомной молекулы. Углерод и кислород создают тройную связь между своими атомами, а поскольку атомов всего лишь два, молекула имеет линейную форму. Однако этот прозрачный, не имеющий запаха газ очень опасен для человека, а также легко воспламеняется. Когда вы вдыхаете угарный газ, его крошечная молекула связывается с гемоглобином в вашей крови и заменяет собой молекулы кислорода. Вот поэтому большое количество «тихого убийцы» может быть смертельным.

Благодаря экспериментам Гиллеспи и Найхолм смогли «подогнать» теорию ОЭПВО под молекулы с любым количеством атомов. Основную идею, на которой строится эта теория, вы уже поняли: одни электроны всегда будут отталкивать другие.

Мне нравится идея того, что электронам внутри молекулы нужно личное пространство, а это означает, что каждая связь должна располагаться как можно дальше от других связей. То, как располагаются электроны, химики называют геометрией электронов в молекуле. Не забывайте, что все дело в электронах, так как форма молекулы зависит от их общего количества и соотношения.

Гиллеспи и Найхолм выделили пять видов геометрий для описания положения электронов в молекуле. Может показаться, что форма молекулы не так важна, но на самом деле с ее помощью можно определить, как внутри распределены электроны. Они распределены равномерно? Или нет? Если мы объединим электроотрицательность молекулы с ее формой, то сможем определить, как две молекулы будут взаимодействовать друг с другом.

Предположим, что в молекуле есть один центральный атом (А) и какое-то количество связывающих электронных пар. В нашем примере центральный атом всегда будет находиться в середине молекулы, а связывающие электронные пары будут располагаться вокруг него. Это означает, что молекула с тремя атомами будет иметь молекулярную формулу AX_2 с центральным атомом А и двумя атомами Х вне молекулы.

Согласно «теории отталкивания электронных пар валентной оболочки», два атома Х в молекуле попытаются отдалиться друг от друга на максимальное расстояние, но они все равно будут располагаться возле атома А. Например, один атом Х будет справа, а другой – слева, под углом 180°. Идеальный пример такой формы – это углекислый газ. Такую же форму имеет молекула сухого льда, моего любимого криогенного вещества.

Логично, что молекула с четырьмя атомами будет иметь молекулярную формулу AX_3. В этом случае три атома Х равномерно распределены вокруг центрального атома А. Конфигурация такой молекулы называется «равносторонний треугольник», так как между каждой из связей образован угол 120°. Слово равносторонний было добавлено для того, чтобы указать, что такие молекулы плоские, как, скажем, лист бумаги.

Формальдегид (CH_2O) – это идеальный пример равносторонней плоской молекулы, а также одно из самых «запутанных» химических веществ. Наше тело самостоятельно вырабатывает эту молекулу, но также формальдегид содержится в брокколи, шпинате, моркови, яблоках и бананах. Высокие концентрации способны разово приводить к остротоксическим последствиям, в то время как длительное воздействие малых, но уже небезопасных концентраций формальдегида приводит к хронической токсичности. Чаще всего с ней сталкиваются рабочие на заводах. Острая же токсичность может возникнуть, скажем, в случае отравления при аварии на предприятии.

Плоские молекулы – это прямая противоположность причудливым молекулам с пятью атомами. Они будут иметь формулу AX_4 – тетраэдр с четырьмя гранями. Атомы Х располагаются на максимально большом расстоянии; углы между связями составляют 109,28°. Такую молекулу нельзя нарисовать на листке бумаги, поскольку она имеет форму тетраэдра (не двумерная). Два атома будут располагаться на листке бумаги, в то время как один атом Х окажется над листком, а другой атом Х – под ним. Помните, что согласно теории ОЭПВО атомы стараются находиться на максимальном расстоянии друг от друга.

Другими словами, атомы в крупных молекулах будут нарушать плоскость, так как иначе электроны начнут отталкиваться. Идеальный пример молекулы с формой тетраэдра – метан (CH_4). Это газ, который подается в газовые трубы, а не газ, который можно почувствовать при утечке. (Он называется метантиолом или метилмеркаптаном, и у него запах тухлых яиц. Его начали добавлять к природному газу еще в 1937 году после взрыва Лондонской школы в Нью-Лондоне, штат Техас, из-за утечки газа. В результате взрыва погибло 300 учеников и учителей. Метантиол имеет резкий запах, благодаря чему люди могут быстро заметить утечку.)

Молекулы с шестью атомами имеют форму AX_5 и представляют собой тригональную бипирамиду. Представьте, что над и под плоскостью располагается по одному атому. Затем добавьте три атома в плоскости, расположенных под углом 120° друг к другу. Ох, вы уже запутались? Хорошо, давайте я попробую объяснить на примере нашего тела. Если бы оно имело форму тригональной бипирамиды, то атом А был бы вашим туловищем. Один атом Х был бы вашей головой, а другой атом Х – вашими ногами. Еще один атом Х располагался бы напротив ваших бедер. Еще два атома располагались бы напротив правой и левой ягодиц. Это сложная молекула, которая, что удивительно, довольно симметрична.

Молекулы с семью атомами похожи на молекулы с шестью. Один атом находится над плоскостью, другой – под плоскостью. Но теперь другие четыре атома расположены в плоскости под углом 90° друг к другу. Еще четыре атома: напротив вашего правого бедра, левого бедра, правой ягодицы и левой ягодицы. Такая форма называется октаэдром, поскольку все подобные молекулы имеют восемь граней.

На сегодняшний день идеальным примером молекулы с семью атомами считается гексафторид серы (SF_6). Если человек вдохнет этот газ, его голос сразу станет грубым и низким; эффект прямо противоположен эффекту от вдыхания гелия. (Это также газ, который стал причиной скандала «FartGate» в шоу Венди Вильямс. Посмотрите видео, если еще не смотрели. Там задействован именно он.)

Теория ОЭПВО помогает ученым узнать, как именно электроны располагаются вокруг центрального атома молекулы. Однако некоторые молекулы, как кофеин в кофе, этанол в пиве или углеводы в чипсах, имеют несколько центральных атомов. В таких случаях мы совмещаем геометрию всех центральных атомов молекулы и определяем общую форму.

Давайте рассмотрим это на примерах молекул, содержащих более пятидесяти атомов. К таким относятся цис-и трансжиры.

Несколько лет назад Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) дало всем производителем пищевой продукции три года на то, чтобы они смогли найти способ удалить трансжиры из своих продуктов. В США использование трансжиров официально запретили в июне 2018 года. Однако на использования цис-жиров не было наложено никаких ограничений. И это может слегка удивлять, так как цис- и трансжиры имеют одинаковые молекулярные формулы, кроме того, их можно получить в ходе похожих процессов.

Единственное отличие заключается в форме молекулы. Если трансжиры внешне похожи на зубочистку, то цис-жиры похожи на зубочистку, сломанную пополам.

Когда трансжиры попадают внутрь организма, в артерии, они могут связаться с другими трансжирами. Тогда они начинают накапливаться в определенном месте, из-за чего происходит закупоривание. Иногда трансжиров собирается так много, что они полностью забивают артерию и препятствуют оттоку насыщенной кислородом крови от сердца. Одним из опаснейших последствий этого является инфаркт. Подобную ситуацию можно с легкостью представить на примере чего-то «реального». Например, что вы берете несколько зубочисток, собираете их вместе, а затем помещаете в конец шланга. Если зубочистки располагаются вплотную друг к другу, то вода не сможет через них пробиться.

А теперь представьте, что сначала вы сломаете эти зубочистки пополам. Вы сможете так же аккуратно закупорить ими конец шланга? Сомневаюсь. Как бы вы ни старались, все равно останутся зазоры, через которые будет просачиваться вода; то же самое и с цис-жирами, которые не могут так же легко закупорить артерии.

Надеюсь, из этого примера вы поняли, что форма молекулы действительно важна (и для химии, и для ваших артерий). По форме молекулы можно понять, где располагаются электроны, как молекула будет выглядеть в трехмерном пространстве и, что гораздо важнее, как именно электроны образуют связи между атомами.

Но сперва давайте рассмотрим атомы повнимательнее.

Во-первых, у каждого слоя атома есть карманы – карман нижнего белья, карман рубашки, карман пальто. Каждый из этих карманов представляет собой атомную орбиталь. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Три, четыре или больше – никогда; в карманах нет свободного места, к тому же ни один из них не сможет справиться с зарядом третьего электрона. Не забывайте, что электроны постоянно отталкиваются друг от друга, поэтому им нужно много свободного пространства.

По правде говоря, даже если на орбитали есть только два электрона, они испытывают ужасный дискомфорт. Чтобы минимизировать отталкивание, они вращаются в противоположных направлениях: один – по часовой стрелке, другой – против.

Давайте поэкспериментируем. Пусть ваша левая рука будет двигаться по часовой стрелке, а правая – против. Я каждый год провожу такие демонстрации для своих студентов и выгляжу очень глупо. Не могу заставить свои руки двигаться в противоположных направлениях… Студенты постоянно смеются надо мной. Но вы знаете, почему электроны двигаются в противоположных направлениях? Это может показаться странным, но именно так они стабилизируют атом. Движение по кругу позволяет электронам разойтись по малой орбитали, благодаря чему они всегда находятся на максимальном расстоянии друг от друга.

Я могу предугадать ваши мысли: сейчас вы, скорее всего, думаете, что получили совершенно бесполезную информацию. Почему вас должны волновать какие-то орбитали и то, сколько электронов там помещается? Как эти орбитали влияют на вашу жизнь?

Честно говоря, я понимаю, почему вы задаетесь подобными вопросами. Но атомы и молекулы в реальной жизни встречаются, мягко говоря, часто. Посмотрите на что-то простое, например, на свою одежду. Молекулы в красителях придали вашей рубашке красный или синий цвет. От расстояния между молекулами зависит то, насколько дышащей будет ткань или как хорошо она будет отводить пот, если вы носите влагоотводящее термобелье.

А орбитали? Их наука намного сложнее и, как мне кажется, красивее.

Четвертого июля[3] мы видим, как электроны перемещаются между орбитами при запуске фейерверков. Если фейерверк красный, значит, электроны перемещаются на соседние орбитали, а если зеленый, значит, перемещаются на большие расстояния.

Мы также может наблюдать «работу» орбиталей на Хэллоуин каждый раз, когда видим фосфоресценцию – химическое явление, когда вещи светятся в темноте. Мы можем этого не осознавать, но мы постоянно наблюдаем за тем, как электроны движутся по своим орбиталям или переходят на другие. А еще нам очень повезло, что ученые смогли разработать безопасные для человека способы игры с электронами и орбиталями – например, у нас есть бенгальские огни и светящиеся палочки.

Есть четыре типа атомных орбиталей или карманов у атома, где могут располагаться электроны. Это s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Такая классификация была предложена ученым Эрвином Шредингером. В своей статье он установил, как связаны между собой атомы. По правде говоря, за последние сто лет практически ничего не поменялось. Химики вроде меня до сих пор считают, что существуют четыре главных типа атомных орбиталей.

Не забывайте: вне зависимости от формы и размера орбитали на ней могут располагаться только два электрона. Эти электроны должны быть на максимальном расстоянии друг от друга (из-за постоянного отталкивания друг от друга).

Свободнее всего электроны чувствуют себя на s-орбитали, так как она по форме похожа на большой круглый шар. Огромная сфера, в середине которой расположено ядро атома. Это может показаться весьма нелогичным, но буква s в названии от слова sharp (резкий), потому что в лаборатории s-орбитали образуют резкие различия.

Чтобы стало понятнее, давайте рассмотрим простой пример. Возьмем орбиталь с наименьшим энергетическим уровнем; такая орбиталь называется 1s. Каждый отдельный атом в периодической системе содержит 1s-орбиталь. Именно она располагается ближе всего к ядру, и на ней могут располагаться только два электрона. Так как у водорода и гелия имеется только один и два электрона соответственно, их остальные атомные орбитали остаются пустыми. Именно поэтому водород и гелий – это отличные примеры того, почему орбитали важны.

Давайте сначала рассмотрим гелий. На его 1s-орбитали располагается два электрона. Как вы помните, гелий очень стабильный элемент. Он настолько стабилен, что обычно мы используем его для заполнения воздушных шаров. У нас нет никаких опасений насчет этого газа, ведь он инертный. А это значит, что даже если внезапное дуновение ветра подхватит шарик и унесет его к свечам на торте, то ничего не случится. Воздушный шар просто лопнет, а гелий перейдет в атмосферу.

А теперь давайте рассмотрим водород, у которого на 1s-орбитали всего один электрон. В отличие от гелия, водород не является стабильным элементом. Все дело в «свободном» пространстве на орбитали. Водород постоянно находится в поиске еще одного электрона, который сможет занять свободное место; он также может кому-то отдать свой единственный электрон. Водород настолько реакционноспособный элемент, что в природе практически невозможно встретить его в одноатомном виде. Обычно такой водород объединяется с другим и образовывает двухатомный водород (H_2). Если бы вы по ошибке наполнили воздушный шар водородом, а не гелием, то при его соприкосновении с открытым огнем произошел бы огромный взрыв. Упс. Взрывная вечеринка! А все из-за свободного места на атомной орбитали – или свободном месте в кармане атома.

Подобные реакции могут происходить и в том случае, если электроны совершают какие-то движения на следующем уровне: p-орбитали. Здесь p означает principal (главный). Эта орбиталь в форме восьмерки, имеющей две половины: два участка, где располагаются электроны. По правде говоря, существует три одинаковых варианта p-орбитали на любом уровне атома; они соединяются между собой, образуя вокруг ядра шестиконечную звезду.

Каждая p-орбиталь имеет свое место в пространстве. Например, на px-орбитали электроны двигаются слева направо вдоль атома; на py-орбитали – вперед и назад; на pz-орбитали – вверх и вниз.

И, по правде говоря, есть нечто загадочное в том, как движутся электроны. Они никогда не касаются ядра, однако могут перемещаться с одной стороны атома на другую. И хотя электроны движутся в разные стороны, они никогда не проходят через ядро. Но как им удается перемещатся с одной стороны атома на другую, при этом не пересекая само ядро? По правде говоря, у нас все еще нет ответа на этот вопрос. В химии до сих пор существует множество непонятных вещей, и это одна из них. Я лишь надеюсь, что смогу застать тот момент, когда ученые приоткроют завесу этой тайны.

Когда происходит перекрывание трех p-орбиталей, образуется фигура, напоминающая звезду. Теперь шесть электронов (3 орбитали · 2 электрона на каждой = 6) двигаются вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами двух видов. Если вы посмотрите на изображение p-орбитали в форме шестиконечной звезды, то заметите промежутки, где электроны не могут существовать. В отличие от s-орбитали, на p-орбитали у электронов гораздо меньше свободного места. Просто идеальная среда для них.

Следующий уровень – это d-орбиталь. По правде говоря, моя любимая. Обычно именно d-орбиталь лежит в основе большей части неорганической химии. Каждая d-орбиталь имеет четыре части или доли, где могут находиться электроны. Внешне d-орбитали похожи на небольшие цветки; ядро располагается в центре, а электроны в лепестках.

Есть пять разных d-орбиталей, и четыре из них имеют одинаковый вид. Единственное различие заключается в их расположении в пространстве. Чтобы лучше понять все это, давайте рассмотрим четырехлопастную d-орбиталь.

Если вы положите книгу на стол, то d-орбиталь будет располагаться на горизонтальной поверхности (расположение 1). А теперь встаньте и приложите книгу к стене напротив вас (расположение 2) и к стене слева от вас (расположение 3). Может быть, вы даже приложили книгу к ширме, разделяющей комнату по диагонали (расположение 4). Таким образом у нас будет четыре различных расположения: (1) плоское, (2) вертикальное, (3) вертикальное, развернутое на 90°, и (4) вертикальное, развернутое на 45°. Каждое другое положение книги в пространстве представляет собой еще одно расположение d-орбитали в атоме.

Пятый вид d-орбиталей имеет странную форму, которую мой преподаватель, профессор, называл «сосиской в бублике». Звучит сомнительно, но я должна отдать должное: это идеальное описание уникальной формы d-орбитали. Лично мне кажется, что эта орбиталь выглядит как pz-орбиталь с обручем вокруг «талии».

Когда все пять d-орбиталей перекрываются, они образуют цветок странной формы, прямо как p-орбитали образуют шестиконечную звезду. Однако этот цветок представляет собой сложную систему, по которой перемещаются электроны. Благодаря причудливой форме d-орбиталей десять электронов (5 орбиталей · 2 электрона на каждой = 10) могут двигаться вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами.

Последний вид орбиталей – это f-орбиталь. Как вы уже догадались, они самые сложные. Я рассказываю об f-орбиталях только потому, что они круто выглядят.

Всего есть семь разных f-орбиталей; некоторые из них имеют шесть лепестков, некоторые – восемь. На рисунке выше вы можете увидеть изображение самой странной орбитали из всех f-орбиталей. Мы шутливо называем ее «сосиска в двойном бублике», потому что она выглядит точно так же, как и pz-орбиталь с двумя обручами вокруг талии.

При перекрытии семи f-орбиталей молекула может минимизировать отталкивание между четырнадцатью электронами (7 орбиталей · 2 электрона на каждой = 14). При перекрытии орбитали похожи на странный, причудливый цветок. Обычно с f-орбиталями работают в радиоактивной химии; так что все, что вам нужно знать, это то, что f-орбитали имеют действительно странную и сложную форму.

Но не забывайте: вне зависимости от формы каждая атомная орбиталь может иметь максимум два электрона. Электроны двигаются в противоположных друг другу направлениях, сводя к минимуму возможность контакта. А теперь мы можем подробнее поговорить о том, как перекрывают друг друга разные орбитали.

Первый тип перекрывания, который я хочу обсудить, называется осевым. Такая связь образуется, когда две разные орбитали пересекаются в одном месте.

Представьте себе простейшую диаграмму Венна[4] с тремя кругами. Если вы уберете один круг, то у вас останется две s-орбитали. Две окружности пересекаются в одном месте: именно так две s-орбитали формируют связь, называемую сигма-связью.

При образовании сигма-связи электроны атома А могут свободно переместиться к протонам атома В (при условии, что атом В электроотрицательнее атома А).

Однако s-орбитали могут образовывать связи не только с другими s-орбиталями. Они также могут сформировать сигма-связи с p-орбиталями. Новая связь формируется в том случае, если s-орбиталь перекрывается одной из частей p-орбитали. Если вы возьмете диаграмму Венна с двумя кругами и превратите один из них в восьмерку, то сможете визуализировать связь между s-орбиталью и p-орбиталью. Электроны с легкостью могут перемещаться от одного атома к другому через место пересечения орбиталей.

Две p-орбитали могут образовать сигма-связь, если они взаимодействуют с помощью осевого перекрывания. При такой связи правая сторона левой восьмерки будет перекрываться левой стороной правой восьмерки (∞∞). Орбитали перекрывают друг друга в одном месте, образуя сигма-связь.

Однако две p-орбитали могут взаимодействовать с помощью бокового перекрывания. Из названия этого перекрывания понятно, что у орбиталей есть два месте пересечения. Такая связь называется пи-связью.

Просто представьте две p-орбитали, расположенные рядом с друг другом (88). Две верхние части будут взаимодействовать между собой точно так же, как и две нижние.

Если вы когда-нибудь слышали о газовой сварке, то уже знаете о данном типе связи. Ацетилен (C_2H_2) – это небольшая молекула углеводорода с прочной пи-связью между атомами углерода. Если мы подожжем этот газ, то тройная связь в молекуле разрушится. При сгорании газа температура пламени составляет максимум 3150°C (5702°F); это отлично подходит для сварки двух металлов.

С помощью орбитальных перекрытий могут образовываться новые связи, так как именно при перекрывании атомы делят между собой электроны. Подобные связи могут быть ковалентными или ионными. Вне зависимости от того, из каких атомов состоит молекула, она всегда будет стараться принять такую форму, при которой валентные электроны будут располагаться на максимальном расстоянии друг от друга.

Это все, что вам нужно знать о связях в молекулах. По крайней мере, сейчас.

И раз уж теперь вы знаете, как образуются связи внутри молекул, я могу рассказать вам о связях между молекулами. Будут ли молекулы образовывать новые ионные или ковалентные связи? Или они просто проигнорируют друг друга и будут болтаться в группах?

3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы

В первых двух главах вы узнали об основах химии: атомах и молекулах. В мире есть очень много атомов. Триллионы триллионов! Бессчетное количество… вы меня поняли. Но мы их практически не видим. Знаете, они очень маленькие: в триллион раз меньше человеческого волоса! Было бы странно, если бы мы смогли видеть летающие вокруг нас атомы…

И даже если бы мы могли видеть атомы невооруженным глазом, то видели бы скопления атомов, а не отдельные частицы. Все потому, что атомы и молекулы любят группироваться, прямо как школьники на вечеринке. Например, когда мы смотрим на уголь для гриля, мы смотрим на группу атомов углерода. А когда группы атомов углерода и кислорода решают объединиться в молекулу углекислого газа, мы видим твердый сухой лед.

В этих двух примерах атомы угля и молекулы сухого льда сгруппированы вместе, и между молекулами и атомами практически нет свободного пространства. Так вот, это расстояние (насколько оно велико) и является определяющим фактором того, что ученые называют фазовым состоянием.

В химии выделяют три фазы: твердая, жидкая и газообразная. (Существуют и другие, например, коллоиды и плазма, однако я расскажу только о фазах, с которыми мы сталкиваемся чаще всего.) Самый простой способ определить, является вещество твердым, жидким или газообразным, – уронить его и посмотреть, что случится. Например, упавший бокал для шампанского разобьется на осколки, которые разлетятся по всей комнате. Это из-за того, что стекло было в твердом состоянии. Не важно, стекло разбито или нет: осколки остаются осколками. Стекло не превратилось в лужу (как жидкость) и не поднялось в воздух (как газ).

Существуют также промежуточные состояния вещества, которые нельзя отнести к определенной фазе. Да, стекло – это твердое тело. Но если говорить точнее, то стекло – это аморфное твердое тело. То есть оно имеет физические свойства твердых и жидких тел. Однако в данном случае мы будем считать, что стекло – это обычное твердое тело.

Когда ученые рассматривают бокал для шампанского под микроскопом, они видят, что атомы бокала располагаются вплотную друг к другу: они даже не могут двигаться. Им трудно поменять свое местоположение. Молекулы в твердом теле напоминают мне о временах, когда моя маленькая племянница засыпала у меня на руках. Не важно, что происходило вокруг: я не могла пошевелиться, потому что боялась ее разбудить. Молекулы в твердом состоянии ведут себя так же.

На микроскопическом уровне атомы в твердой фазе очень похожи на атомы в жидкой фазе, но есть одно существенное отличие – расстояние между атомами. В жидкостях атомы располагаются на приличном друг от друга расстоянии, благодаря чему могут свободно двигаться, а жидкость – принимать различные формы (например, форму сосуда, в котором она находится). Мы видим это каждый раз, когда падает бокал шампанского: стекло, ударившись о кафельный пол, разбивается на множество мелких осколков, а шампанское течет по плитке, пока не достигнет ее края или шва.

В химии мы обсуждаем форму и объем твердых и жидких тел. Жидкости легко изменяют свою форму, но имеют постоянный объем. У твердых тел объем и форма постоянны. В примере с шампанским напиток принимает форму бокала до тех пор, пока тот не разбивается. Как и любая жидкость, шампанское не имеет постоянной формы.

Давайте рассмотрим пару примеров. Вы кладете твердое тело, например картофель, на дно контейнера. Картофелина остается на том же месте, где вы ее оставили, верно? И если вы переложите ее в кастрюлю, то в обычных условиях картофелина не изменит своей формы. Однако если вы добавите жидкость, к примеру воду, то она растечется по всей кастрюле, равномерно покрывая ее дно.

Представьте себе школьников на танцах. Молекулы в жидкостях медленно танцуют, в то время как молекулы в твердых телах упрямо стоят по углам. Молекулы в жидкостях постоянно двигаются и машут руками в разные стороны, а молекулы в твердых телах стоят как столбы. Жидкость заполняет весь контейнер, а твердые тела сохраняют постоянную форму, потому что их молекулы не танцуют. По правде говоря, молекулы в твердых телах вообще не двигаются.

Большинство жидкостей на нашей планете состоят из молекул. Исключение составляют две: при комнатной температуре бром и ртуть состоят только из атомов. Все остальные жидкости имеют хотя бы одну молекулу. (Например, вода без примесей состоит из молекул Н_2О, а не из атомов водорода и кислорода; при этом ртуть в жидком состоянии состоит из атомов Hg.)

Разница между жидкостью и газом точно такая же, как и разница между жидкостью и твердым телом, – все дело в расстоянии между атомами! Давайте снова обратимся к примеру со школьниками на танцах.

Если твердые тела стоят на месте, а жидкости танцуют медленный танец, то газы танцуют квикстеп. Молекулы движутся на пределе своих возможностей, стараясь «захватить» всю танцплощадку. В отличие от жидкостей и твердых тел, газы не имеют постоянной формы или постоянного объема. Они стремятся заполнить контейнер целиком. Следовательно, если жидкость закрывает дно колбы, то газ пытается быть везде и сразу.

Я уверена, что вы уже знакомы с распространенными газами: кислородом, азотом и гелием. Они постоянно пребывают в движении (даже сейчас, даже внутри вашего дома), так как наша атмосфера состоит из газов. И хотя мы не можем увидеть кислород, почувствовать азот или попробовать на вкус углекислый газ, мы бы не смогли жить без них. Вот почему космонавты носят скафандры: на Луне и в открытом космосе этих газов нет. Именно поэтому аквалангисты таскают на спинах тяжелые кислородные баллоны. Человек может прожить без кислорода около трех минут, после чего наступает смерть (что, я уверена, вы и так знали).

Но здесь, на Земле, вокруг нас летают миллиарды молекул. Бо́льшую часть из них составляют азот (78 %) и кислород (21 %). Значительный 1 % занимает аргон. Кроме того, в нашей атмосфере есть незначительное количество других газов (например, углекислый), а также загрязняющих примесей (например, угарный газ). Когда вы делаете глубокий вдох, то поглощаете смесь газов. Молекулы проходят через нос в легкие и остаются там, пока 4 % кислорода не превратятся в углекислый газ. При выдохе вы выделяете молекулы азота и аргона, примерно 17 % кислорода и 4 % углекислого газа. Существует распространенное заблуждение, что мы выдыхаем 100 % углекислого газа – как вы уже поняли, это неправда.

Выдыхаемый нами аргон – газ весьма стабильный. Ученые используют его каждый раз, когда им нужна инертная среда для проведения реакций. Когда я училась в аспирантуре, то закачивала аргон в колбы с опасными реакциями: отличный способ убедиться в том, что они не взорвутся. Аргон снижал вероятность взрыва до минимума, но должна признать, что такие эксперименты все равно напрягают – в любой момент что-то может взорваться.

Аргон – элемент с атомным номером 18. Как вы уже догадались, это означает, что у него есть 18 протонов и 18 электронов. Несмотря на то, что аргон небольшого размера, он очень плотный.

Когда я на лекциях рассказываю студентам о газах, мне нравится для наглядности использовать воздушные шары, наполненные один аргоном, а другой гелием: так я демонстрирую, какое значение имеет плотность газов. Я держу шарик с аргоном и подбрасываю его. Воздушный шар сразу же падает на пол, потому что аргон тяжелее воздуха. Затем я подбрасываю шарик с гелием, и он сразу же улетает к потолку. Это все, что вам нужно знать о плотности газа.

Чем плотнее газ, тем больше молекул сгруппировано в определенном объеме. Пример: представим, что белье – это молекула; тогда корзина для белья какого-нибудь студента будет «плотной», потому что доверху набита грязным бельем. С другой стороны, у Мари Кондо[5] была бы «менее плотная» корзина для белья, так как она оставляет только ту одежду, которая вызывает у нее подлинную радость (и потому, что она лучше следит за своими грязными вещами, чем студенты).

Менее плотные газы, например водород или гелий, поднимаются вверх, так как они легче воздуха. Такие газы идеально подходят для воздушных шаров, о которых мы говорили выше. Как вы уже поняли, чтобы воздушный шар не улетел, его нужно привязать к чему-нибудь или утяжелить.

Но как газ вроде гелия может менять свое состояние? Переходить из газообразной формы в жидкую или из жидкой в твердую? Такие переходы, которые вы, возможно, когда-то изучали в школе, происходят вокруг нас каждый день. Таяние, испарение, конденсация или заморозка – это процессы, происходящие из-за изменения расстояния между молекулами в определенном веществе.

Один из простейших переходов – это таяние. Не знаю, как вы, а я узнала о нем еще в раннем возрасте. Когда я была на улице и ела мороженое, то лучи раскаленного солнца топили его, и оно стекало по моей руке. Отстойное знакомство с одним из основных превращений в химии. Самое смешное, что термин «таяние» не совсем подходит для такой науки. Техническим термином считается «плавление», но его практически не используют. Когда мороженое тает, расстояние между молекулами увеличивается, из-за чего твердое вещество превращается в жидкость. Итак, если молекулы в твердом теле находятся на расстоянии одной мили друг от друга (в данном примере я специально использую большие числа), то в жидкости они будут находиться на расстоянии пяти миль. На самом деле в твердых телах молекулы находятся на расстоянии примерно 10–10 метров друг от друга, но мне кажется, что такое число будет слишком сложно представить.

Важно помнить один факт: после фазового перехода молекулы остаются точно теми же молекулами. Атомы и расстояние между атомами не изменилось, хотя молекулы друг от друга отдалились. Но как это происходит? Все просто: нужен источник энергии, в качестве которого обычно выступает тепло. Если мы изменим температуру окружающей среды, то молекулы начнут двигаться быстрее (если температура увеличится) или будут двигаться медленнее (если температура уменьшится). Как вы скоро узнаете, температура также влияет на расстояние между молекулами.

И если вы вспомните мой пример с мороженым, то все сразу станет понятным и логичным. Чтобы мороженое растаяло, требуется внешний источник тепла. Например, если я решу съесть мороженое в Техасе, то оно начнет таять спустя несколько минут. Тепла, исходящего от молекул в воздухе, достаточно для того, чтобы молекулы мороженого начали активно двигаться; в конце концов расстояние между ними увеличится. Иначе говоря, при таянии мороженого происходит плавление.

Наилучший пример плавления – первый шаг в приготовлении брецелей в шоколаде. Когда я готовлю их дома, то кладу шоколад в чашку и ставлю ее над кастрюлей с кипящей водой. Такая конструкция позволяет теплу от пара передаваться шоколаду через дно чашки. Молекулы шоколада начинают двигаться, из-за чего расстояние между ними увеличивается. Я могу точно определить, когда это произошло, ведь вижу таяние шоколада своими глазами.

Когда я убираю чашку с растопленным шоколадом с кастрюли, то наблюдаю еще один физический процесс. Из-за тепла вода в кастрюле кипит: жидкая вода превращается в пар. По мере того, как она переходит в другое состояние, пространство между молекулами воды увеличивается. Если молекулы в твердом теле и жидкостях находятся на расстоянии одной и пяти миль друг от друга соответственно, то молекулы газа – примерно в пятидесяти милях. И опять же важное уточнение: молекулы никак не изменились, но изменилось расстояние между ними. Мы уже знаем, что у газа нет постоянного объема или формы, поэтому молекулы пара поднимаются в воздух и «исчезают».

Процесс превращения воды в пар называется кипением с последующим парообразованием, хотя многие ошибочно называют его испарением. Весьма распространенное заблуждение, поэтому давайте рассмотрим, чем эти процессы отличаются. Как и при синтезе, при кипении расстояние между молекулами увеличивается; значит, для этого процесса необходимо тепло. Он происходит в тот момент, когда жидкость начинает кипеть – то есть превращаться в газ.

При испарении жидкость превращается в газ без использования дополнительного тепла. Этот процесс происходит при температуре ниже точки кипения жидкости. Например, за ночь испаряется часть воды в вашем стакане или пот с вашего тела. Для этого не нужна горелка или другой источник тепла: молекулы обладают достаточной энергией, чтобы жидкость превратилась в газ самостоятельно. И наоборот, кипящей воде нужно больше энергии, чтобы изменить свое состояние.

Так или иначе, мы можем превратить воду в газ только одним способом: нам нужно увеличить расстояние между молекулами жидкости. Те из вас, кто занимается выпечкой, сейчас узнали, что происходит с водой при топлении шоколада. Но сталкивались ли вы с тем, что на поверхности шоколада появляются небольшие надоедливые пузырьки? Если да, то поздравляю: вы наблюдали еще один физический процесс, называемый конденсацией.

Когда молекулы воды конденсируются, гладкая поверхность шоколада покрывается небольшими «пузырьками». Во время этого процесса газообразные молекулы воды (то есть пар) превращаются в жидкие и нарушают текстуру шоколада. Тоже самое происходит с бокалом напитка в жаркий день: на стенках образуются капли воды.

Конденсация и испарение – это два одинаковых, но ровно противоположных процесса. Похоже на мою поездку на работу: расстояние и затраченное время постоянно одни и те же. Я еду десять минут до работы и потом десять минут до дома. Но при этом направление, в котором я двигаюсь, отличается. То же самое происходит и с этими двумя процессами: при испарении расстояние между молекулами увеличивается, а при конденсации уменьшается. Газ превращается в жидкость, а соседние молекулы начинают притягиваться друг к другу.

Жидкости могут также превращаться в твердые тела, не меняя при этом своего химического состава. Этот процесс называется замерзанием. Когда молекулы находятся близко друг к другу, жидкость может превратиться в твердое тело. Замерзание и плавление (то есть таяние) – это противоположные процессы. При плавлении молекулам необходимо двигаться и увеличивать расстояние между собой; в результате твердое тело превращается в жидкость. Однако для того, чтобы жидкость стала твердым телом, молекулы должны располагаться практически вплотную к друг другу.

Лучший способ заморозить что-либо – это поместить объект в среду с низкой температурой, например, в морозильную камеру. Вы также можете изменить давление (в лаборатории). При низкой температуре движение молекул замедляется, из-за чего расстояние между ними уменьшается. Когда я убираю брецели в шоколаде в холодильник, растопленный шоколад затвердевает и превращается в глазурь. Этот процесс начинает происходить не сразу, к тому же тут играет роль толщина слоя шоколада. Чем больше молекул, тем больше времени требуется для их замедления – для перехода жидкости в твердое состояние. Однако все молекулы обладают точкой замерзания – температурой, при которой жидкость превращается в твердое тело.

Таяние, испарение, конденсация и заморозка – самые распространенные переходы. Есть еще два, не столь распространенных, но их нужно упомянуть: сублимация и десублимация. Это процессы перехода твердого тела в газообразное и наоборот. Молекулы, минуя жидкое состояние, сразу переходят из твердого в газообразное или наоборот. Чтобы произошли эти процессы, расстояние между молекулами должно резко увеличиться или резко уменьшиться. В зависимости от молекул подобные переходы могут происходить естественным путем в обычных условиях или в лаборатории с использованием экстремальных температур и изменением давления.

В естественных условиях сублимация происходит редко, так как для такого перехода молекулам надо очень быстро двигаться. По правде говоря, в повседневной жизни мы практически не сталкиваемся с этим процессом. Большинство людей наблюдают его только в том случае, если работают с сухим льдом. Сухой лед (или углекислый газ в твердом состоянии) обладает удивительными свойствами, благодаря которым может переходить из твердого состояния в газообразное. Это означает, что во время перехода расстояние между молекулами быстро увеличивается. Процесс происходит самостоятельно при нормальных атмосферном давлении и температуре; именно поэтому сухой лед используется для создания тумана или дыма на концертах, представлениях, а также на моих лекциях.

Сублимация также используется в освежителях воздуха и камфорных шариках. Сами по себе эти вещества твердые, но со временем они выделяют в воздух немного молекул, из-за чего появляется определенный запах. Каждая система сублимируется при комнатной температуре, однако, в отличие от сухого льда, этот процесс может занять дни, а то и недели. Вот почему автомобильные ароматизаторы необходимо менять раз в несколько недель – они перестают выделять в воздух молекулы.

Противоположный сублимации процесс – десублимация: газ превращается в твердое тело. Во время этого перехода теряется много энергии, из-за чего молекулы замедляются и останавливаются. Люди, живущие в холодном климате, сталкиваются с десублимацией намного чаще, чем им кажется. Каждое утро, когда вы выглядываете в окно и видите покрытые инеем листья, вы наблюдаете результат десублимации. Ночью молекулы воды в воздухе теряют много энергии, из-за чего оседают на листьях, образуя ледяную корочку. Если вы когда-нибудь решите понаблюдать за тем, как образуется иней, то увидите, что пар сразу превращается в лед, минуя жидкую форму.

Еще один пример десублимации – сажа внутри дымохода. Когда я жила в Мичигане, то любила проводить холодное утро, сидя у камина с кружкой горячего какао. В то время я не понимала, что если буду чуть внимательнее, то смогу увидеть, как частички сажи, переходя из газообразной формы в твердую, объединяются с пылью. Пыль и сажа копились внутри камина, оставляя после себя черный налет, который моя мама просто ненавидела. В этом случае десублимация сажи происходила намного быстрее, чем десублимация инея; по моему предвзятому мнению, оба процесса одинаково завораживают.

Напомню, что существует шесть видов фазовых переходов, которые я собрала в одной таблице.

Большинство молекул имеют собственную температуру и давление для каждого из шести переходов, однако каждая молекула уникальна. У некоторых, например, есть тройная точка. Это сочетание температуры и давления, при котором расстояние между молекулами неопределенно, из-за чего вещество одновременно существует в трех агрегатных формах: твердой, жидкой и газообразной. Например, для воды тройной точкой является температура 0,01°C (32°F) и давление 4,58 торр. Самый простой способ наблюдать такое явление в лаборатории – это набрать воду в закрытый контейнер и поместить в вакуум, чтобы снизить давление.

Я уверена, что вы видели в интернете, как люди на Аляске выливают кипящую воду при температуре –52°C. Как только вода покидает емкость, происходит фазовый переход: часть молекул моментально замерзает, превращаясь в маленькие сосульки, а часть молекул испаряется в большое белое облако. Очень похоже на заледеневший фейерверк: большое облако газа с маленькими сосульками в форме радуги. Вода находится во всех трех состояниях одновременно около одной секунды. Вот так классно она выглядит в своей тройной точке.

Есть еще несколько условий (определенные температура и давление), при которых можно отличить жидкости и газы. Когда вы поднимаетесь выше критической точки, то расстояние между молекулами в жидкостях и газах изменяется так быстро, что невозможно определить агрегатное состояние вещества. Это называется сверхкритическая жидкость; она представляет собой жидкостногазовое вещество и обладает как свойствами жидкостей, так и свойствами газов (для разных типов молекул – разные свойства).

Самый распространенный пример сверхкритической жидкости – безкофеиновый кофе. Сначала зерна обрабатываются паром, после чего их помещают в специальный контейнер, способный выдерживать высокое давление. В него поступает диоксид углерода в сверхкритическом (или сжиженном) состоянии, растворяющий кофеин. Сверхкритическая жидкость не влияет на зерна кофе, благодаря чему считается идеальным растворителем кофеина. Самое интересное то, что диоксид углерода можно очистить от кофеина. А это значит, что его можно будет использовать еще несколько раз!

Раньше диоксид углерода в сжиженном состоянии часто использовался в качестве растворителя на химчистках, так как он легко удалял грязь с одежды, оставляя ту практически «сухой». (Я использую кавычки, потому что сверхкритическая жидкость – это не вполне та жидкость, к которой мы привыкли. Жидкое/газовое вещество не влажное, но и не сухое.) Однако была одна большая проблема. Вещество распылялось на одежду под большим давлением, но когда давление спадало, то хрупкие или плохо пришитые пуговицы ломались и отрывались. Улучшить этот процесс никак не получилось, поэтому, на сегодняшний день, в большинстве химчисток отказались от такого метода в пользу других вариантов.

Но все эти фазовые изменения происходят на макроскопическом уровне. Мы можем увидеть конденсацию, замерзание или даже сверхкритическую жидкость невооруженным глазом. Однако мы не способны наблюдать все изменения, поскольку некоторые происходят на микроскопическом уровне.

Как ученые «видят» мир

Когда химики, биологи, геологи или другие ученые исследуют мир, они имеют дело с двумя уровнями: макроскопическим (то, что мы можем увидеть) и микроскопическим (то, что мы не можем увидеть).

Если для того, чтобы что-то увидеть, вам необходим микроскоп, то это микроскопический уровень. Если вы можете что-то увидеть невооруженным глазом, то это макроскопический уровень.

Что же происходит с крошечными молекулами? Первое, на что мы, химики, обращаем внимание – как электроны распределяются внутри молекул. Вы, наверно, уже догадались, что это определяется формой молекулы. Химическая формула «рассказывает» ученым то, как электроны из разных молекул будут взаимодействовать друг с другом, а также то, как они будут располагаться в пространстве.

В некоторых системах молекулы выстраиваются в линию, словно они водят хоровод, в то время как в других системах скопления молекул похожи на символ инь-ян. По правде говоря, если вы знаете основные закономерности расположения молекул, вам не составит труда определить, как те или иные группы изменяются от фазы к фазе.

Однако сначала вам придется определить общую полярность молекулы. И это возвращает нас к старой теме. Электроотрицательность.

Давайте рассмотрим кислород – один из самых электроотрицательных атомов. Если он входит в состав молекулы, то будет притягивать все электроны от соседних атомов к своему ядру. В молекуле воды (Н_2О) все электроны притягиваются к атому кислорода, а не к водороду.

Так как электроны распределяются неравномерно, кислород имеет частичный отрицательный заряд. Именно так мы считали, когда изучали, как атомы делят электроны при образовании связи. А теперь давайте посмотрим, что происходит, когда в одной молекуле образуется несколько связей.

Есть два варианта того, как электроны будут распределяться в молекуле: в одном случае образуется полярная молекула, в другом – неполярная. Если вы разделите молекулу ровно пополам, она будет считаться полярной. Это значит, что электроны распределены внутри молекулы неравномерно: у нее есть положительная и отрицательная стороны, прямо как у магнита.

Давайте подробнее рассмотрим то, как электроны распределяются в молекуле воды. Повторюсь, кислород в молекуле воды имеет частично отрицательный заряд. Логично, что у обоих атомов водорода заряд частично положительный. Это касается каждой молекулы воды на Земле. Кислород всегда имеет частично отрицательный заряд, водород – частично положительный. В такой ситуации мы можем разделить молекулы воды пополам и получить одну положительную и одну отрицательную стороны, тем самым создав полюса молекулы.

Полярные молекулы вызывают цепную реакцию сильного притяжения между положительной и отрицательной сторонами молекулы воды. Это называют диполь-дипольным взаимодействием. Оно происходит только между молекулами с постоянным дисбалансом заряда (то есть полярными молекулами).

Прямо сейчас вокруг вас происходят сотни дипольдипольных взаимодействий. Если вы сидите на кухне, то они происходит в лежащих рядом яблоках и грушах, даже в куске свинины, говядины или рыбы! Если рядом стоит стакан воды, содовой или вина, то вы также наблюдаете особые диполь-дипольные взаимодействия. Они настолько сильны, что у них есть собственные названия. Молекулы воды – это идеальный пример молекул с водородной связью. Почему? Потому что это полярные молекулы с сильными полярными связями.

Но не забывайте, что водородная связь – это не ковалентная связь, возникающая, когда атомы водорода и кислорода объединяются, образуя молекулу воды. Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. Эта связь очень сильная: только представьте, шесть дюймов льда могут выдержать многотонный грузовик. Грузовик! С ума сойти, да?

Когда-то существовало шоу «Ледовый путь дальнобойщиков» (Ice Road Truckers), которым я была просто одержима. И знаете, это шоу – прекрасный пример водородной связи. Как человек, выросший в Мичигане, я хорошо знаю, какую опасность представляет собой тонкий лед. И я с замиранием сердца смотрела, как эти отважные дальнобойщики ездят по льду. Но водородные связи настолько сильны, что даже грузовики весом в несколько тонн могут спокойно ездить по замерзшим озерам Канады.

К счастью, у дальнобойщиков есть свои секреты и хитрости. Они могут на глаз оценить состояние льда, чтобы избежать катастрофы; но при этом не могут оценить силу притяжения, существующего между молекулами воды. Понимаете, при разрушении водородных связей молекулы могут начать фазовый переход. Даже при повреждении их небольшая часть лед может превратиться в воду. И это серьезная проблема для тех, кто работает или проводит время на замерзших озерах. Кстати, когда разрушаются все водородные связи сразу, вода может превратиться в пар. Итак, когда мы наблюдаем за таянием льда или тем, как кипит вода, на самом деле мы наблюдаем разрушение водородных связей.

И наоборот, мы можем наблюдать образование водородных связей при замерзании воды. Я использую этот фазовый перевод каждый раз, когда провожу демонстрацию под названием «Грозовое облако». Я добавляю горячую воду в емкость с жидким азотом, из-за чего вода на дне замерзает. В этом процессе тепло от горячей воды передается жидкому азоту, в результате чего жидкий азот (N_2) испаряется, образуя большое облако газообразного азота.

Как и в воде, притяжение между молекулами азота пропадает до того, как он переходит из жидкой фазы в газообразную. Но, в отличие от воды, азот не может образовывать водородные связи, так как эта связь образуется между полярными молекулами. Вместо этого молекулы азота образуют дисперсионное взаимодействие.

Оно возникает в том случае, если между молекулами появляется слабое притяжение. Помните, в прошлой главе мы говорили о трансжирах? Причина, по которой они могут скапливаться (и закупоривать артерии), состоит в том, что они используют дисперсионное взаимодействие, чтобы молекулы плотно сцеплялись друг с другом. Это касается каждой неполярной молекулы.

Но каково это, быть неполярной молекулой? Что это значит?

Неполярные молекулы не имеют положительную или отрицательную сторону. Электроны в них располагаются симметрично: представьте печенье с шоколадной крошкой. Если вы разделите его пополам, то на обеих половинках будет одинаковое количество шоколадной крошки. То же самое и с неполярными частицами – там электроны равномерно распределены по всей молекуле.

Интересный факт: неполярные молекулы примерно на наносекунду могут стать полярными! Но потом они возвращаются в обычное состояние. Это как если я надену шляпу и очки для пары фотографий в фотокабине, а затем сниму и снова стану обычной Кейт, какой была до этого.

Но как молекулы «переодеваются», чтобы добиться асимметричного распределения электронов внутри себя? У атома и молекул бывают моменты, когда электроны внутри них не уравновешены. Например, в молекуле азота (N_2) на два атома приходится четырнадцать электронов. Возможно, что на какую-то долю секунды на левой стороне молекулы будет шесть электронов, а на правой – восемь. В этот момент левая сторона молекулы имеет частично положительный заряд, а правая – частично отрицательный.

В моем опыте «Грозовое облако» одна молекула азота (молекула А) находится рядом с другой (молекула В). Когда на правой стороне молекулы А внезапно появляются восемь электронов, электроны в молекуле В будут отталкиваться от них. Это можно сравнить с посещением дома с привидениями, когда из ниоткуда на вас выпрыгивает скелет. Вы и ваши друзья отскакиваете и бежите в противоположном от скелета направлении. То же самое происходит при дисперсионном взаимодействии. Всего лишь один момент, когда молекула имеет несбалансированный заряд – или всего лишь один скелет, пугающий целую толпу, – и возникает эффект домино для целой группы молекул.

Молекула будет пытаться распределить свои электроны так, чтобы они находились на большом расстоянии друг от друга. Однако эффект домино будет повторяться снова и снова. Так чаще происходит в неполярных молекулах; вот почему они группируются друг с другом, а не улетают в атмосферу. Без дисперсионного взаимодействия каждая молекула азота просто отделилась бы от соседней, разрушив мой эксперимент.

Такие взаимодействия между молекулами весьма распространены, поэтому им дали отдельное название: межмолекулярные. Водородная связь, диполь-дипольное взаимодействие и дисперсионное взаимодействие – все это типы межмолекулярного взаимодействия. Когда оно возникает, газы могут превращаться в жидкости, а жидкости – в твердые тела. Когда разрушается – твердые тела могут превращаться в жидкости, а жидкости – в газы.

В моем эксперименте «Грозовое облако» вода сначала замерзает: это я устанавливаю водородную связь. Затем я разрушаю дисперсионное взаимодействие между молекулами азота, из-за чего азот испаряется. Эти два физических изменения происходят так быстро (и в закрытом пространстве), что я могу создать огромное многослойное облако пара.

Как вы уже заметили, меня захватывают фазовые изменения и межмолекулярные взаимодействия. Я могла бы дни напролет рассуждать о том, как расстояние между молекулами и образующиеся между ними межмолекулярные взаимодействия влияют на то, в каком состоянии будет то или иное вещество. Но мне кажется, пора двигаться дальше – может, давайте что-нибудь взорвем?

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Мы уже рассмотрели атомы, молекулы и фазовые переходы. Узнали, что вода состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Может быть в твердом (лед), жидком (вода, текущая из-под крана) и газообразном (пар) состоянии. Но что происходит, когда появляется другая, полностью другая – чужая – молекула и разрушает связи между водородом и кислородом? Атомы перестраиваются, создавая новые молекулы? А если образуются новые молекулы, то можно ли провести обратную реакцию и получить «оригинальные» молекулы? Или тут все так же сложно, как в «Назад в будущее», где одно небольшое изменение влечет за собой большие последствия? Эти вопросы – моя любимая часть химии, потому что ответ кроется в химических реакциях.

Существует две концепции, с которыми вам необходимо ознакомиться. Во-первых, важно понимать разницу между химическим уравнением и химической реакцией. Путаница между этими двумя понятиями для ученого все равно что ножом по стеклу. Или для вашего университетского профессора. К счастью, понять разницу довольно просто.

Химическую реакцию проводят в лаборатории.

Химическое уравнение записывают в тетради.

В лаборатории я могу провести химическую реакцию, просто смешав два вещества в колбе. Обычно я одета в лабораторный халат. Я внимательно наблюдаю за каждым этапом. В это время смешанное вещество может изменить цвет или даже агрегатное состояние (например, перейти из твердого в жидкое), так как все это происходит на молекулярном уровне. Идет перестройка атомов.

И напротив, если бы я просто хотела записать, что происходит во время эксперимента, какие вещества использовались и в каком количестве, то я записала бы химическое уравнение, состоящее из трех отдельных частей: (1) сторона реагентов, (2) стрелка или знак равенства и (3) сторона образовавшегося продукта реакции. Вещества, вступающие в реакцию, всегда записываются с левой стороны от стрелки, а продукты реакции – всегда справа. Обычное химическое уравнение выглядит вот так:

Реакция → Продукт реакции

Или вот так:

A + B + C → D

A, B, C, D олицетворяют собой разные молекулы, например вода или углекислый газ. Но давайте представим, что химическая реакция – это процесс приготовления торта. Тогда реагентами были бы все вещества или ингредиенты, которые для этого необходимы. В моем уравнении все ингредиенты (мука, сахар, яйца) будут располагаться в левой части уравнения. Продуктами реакции же будут все химические вещества, образующиеся по итогу; в данном случае торт. Следовательно, химическое уравнение приготовления торта будет выглядеть так:

Мука + Яйца + Сахар → Торт

Из записанного выше химического уравнения ясно, что для приготовления торта нужна одна единица муки, одна единица яйца и одна единица сахара – или один стакан муки, одно яйцо и один стакан сахара. Если вы хоть иногда готовите торты, то понимаете, что это отвратительный рецепт. Так как соотношение ингредиентов неправильное, в ходе этой химической реакции мы приготовим невкусный торт.

Когда соотношение реагентов неверное, мы говорим, что уравнение несбалансированное. Это означает, что у нас есть сомнительный рецепт, из которого вряд ли что-то получится. В химии подобные уравнения бесполезны, поэтому важно их балансировать. Сделать это можно с помощью коэффициентов, которые добавляются перед молекулой в уравнении. Получается верное соотношение, которое необходимо для получения продукта реакции. Если для приготовления торта нам требуется три стакана муки, четыре яйца и один стакан сахара, то мы балансируем наше уравнение следующим образом:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар → Торт

Обратите внимание, что мы не используем цифру 1. Если возле молекулы или атома не указана никакая цифра, то подразумевается, что это коэффициент 1.

Мы могли бы с легкостью изменить рецепт и приготовить шоколадный торт, добавив еще один реагент, какаопорошок:

3 Муки + 4 Яйца + Сахар + Какао-порошок → Торт

Это уравнение тоже несбалансированное, поскольку какао на вкус горькое. Значит, мы должны добавить больше сахара. Новый рецепт может выглядеть вот так:

3 Муки + 4 Яйца + 2 Сахара + Какао-порошок → Шоколадный торт

Рецепт шоколадного торта можно слегка изменить, и тогда мы приготовим брауни или шоколадное печенье. Мука, яйца и сахар – это основа для приготовления множества десертов. То же самое и с атомами и молекулами, которые лежат в основе всех химических соединений.

Вернемся к нашему уравнению:

3A + 4B + C → D

В этом уравнении содержится важная информация. Я получаю алгоритм действий – или рецепт, – которому должна следовать, чтобы в итоге получить одну единицу D. Если бы я хотела получить одну единицу D, то использовала бы три единицы A, четыре единицы B и единицу C, смешав их в колбе. В течение нескольких часов я бы тщательно перемешивала их, может, даже воздействовала бы на вещество теплом, и в конце концов получила бы единицу D. Но что представляет собой одна единица D? Один стакан? Один грамм? Один килограмм? На самом деле один моль.

У вас может возникнуть вопрос: что за моль? В химии моль – не милое насекомое, а конкретное число, помогающее определить, сколько молекул задействовано в той или иной реакции. И мы плавно переходим ко второй вещи, которую вам нужно понимать, – что такое моль и почему эта единица измерения так важна.

Впервые данная концепция была предложена еще в 1811 году итальянским ученым Амедео Авогадро. Однако первым человеком, использовавшим слово «моль», стал немецкий ученый Вильгельм Оствальд, сокративший так немецкое слово molekül (молекула).

Не используя слово моль, Авогадро предположил, что если два образца газа имеют одинаковую температуру, давление и объем, то в них будет содержаться одинаковое количество молекул. Название газа или его вид не имеют значения, ЕСЛИ все три условия совпадают.

Давайте предположим, что в моем кабинете есть воздушный шар с газообразным кислородом и воздушный шар с газообразным азотом. Они имеют одинаковую температуру, форму и объем. Объем воздушного шара не меняется, и это означает, что давление внутри него и снаружи будет одинаковым. Так как температура, объем и давление двух воздушных шаров одинаковое, согласно предположению Авогадро, количество молекул внутри них тоже будет одинаковым. Иначе говоря, в моем воздушном шаре с азотом плавает столько же молекул, сколько и в шаре с кислородом. Разница лишь в виде этих молекул.

В 1865 году австрийский химик Йозеф Лошмидт смог определить количество молекул в образце газа. Он предложил уравнение для расчета молекул в определенном объеме вещества и тем самым обнаружил константу, которая подтвердила все идеи, предложенные Авогадро еще в начале 1800-х годах. Именно поэтому, когда в 1909 году французский физик Жан Перрен использовал «магическое» число Лошмидта, он назвал его числом Авогадро, в честь великого ученого.

Мне всегда интересно, чувствовал ли Лошмидт обиду, когда узнал название этого числа? Ну да ладно, так или иначе Перрен назвал число 6,022 · 10^23 числом Авогадро. Оно указывает на количество молекул в 32 граммах двухатомного кислорода.

В то время открытие Перрена стало сенсационным. Однако в 2019 году понятие «моль» было изменено. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) решил принять более простые определения некоторых единиц, в том числе и моля. Данное решение было встречено с радостью, так как после принятия нового определения отпала необходимость в сравнении количества атомов с конкретными образцами, например кислородом или углеродом.

Согласно новому определению, моль является пробой, в которой содержится ровно 6,022 · 10^23 элемента. Как профессор химии, я очень обрадовалась, узнав о новом определении моль. Гораздо проще объяснить студентам, что моль – это просто число; нет смысла рассказывать всю историю об Авогадро, Лошмидте и Перрене.

В новом определении моль – это просто число, равное 6,022 · 10^23. Вот и все. Просто число. Точно так же, как и декада обозначает 10, столетие – 100, а брутто – 144. Один моль обозначается 6,022 · 10^23.

В предыдущей главе мы говорили о мирах: мир, который мы можем видеть своими глазами (макроскопический), и мир, который мы не видим (микроскопический). Что же, моль является мостиком между этими двумя мирами. Мы используем его для преобразования масс из макроскопического мира в молекулы в микроскопическом мире.

Моли важны, когда такие ученые, как я, хотят определить количество молекул в конкретном образце. Этим мы и занимаемся, когда готовим торт или взрываем что-нибудь. Моль в мире химии – это что-то огромное. Просто чтобы вы имели представление: 10^6 – это миллион, 10^9 – это миллиард, а 10^12 – это триллион. По сути, реальное значение одного моля составляет 602 секстиллиона или 602 200 000 000 000 000 000 000.

602 200 000 000 000 000 000 000!

Моли – это не граммы (чайные ложки, столовые ложки или число Пи)

Важно понимать, что три моля A, четыре моля B и один моль C не равно трем граммам A, четырем граммам B и одному грамму C. Нет, моли так не работают. Помните, мы с вами обсуждали атомную массу из периодической системы? Она указывает не только на среднее количество протонов и нейтронов, но также и на то, сколько граммов каждого элемента содержится в одном моле.

Возьмем, к примеру, кобальт. Если мы посмотрим на периодическую таблицу в конце книги, то увидим, что в одном моле кобальта содержится 58,93 грамма вещества. Итак, если для моего уравнения требуется три моля кобальта, то мне нужно отвесить 176,79 грамма (58,93 × 3 = 176,79). Если бы я добавила только 3 грамма, то химическая реакция… прошла бы не так хорошо, поскольку мне бы не хватало еще 173,79 грамма.

Мы используем моли и добиваемся идеального соотношения атомов для того, чтобы химическая реакция прошла успешно. Иначе это было бы точно так же, как если бы пекарь смешал шесть стаканов муки и один стакан сахара в попытке испечь именинный торт. Ничего не получится.

Дэниел Дулек, специалист по детским инфекционным заболеваниям, выступил на Ted-Ed[6] с докладом о молях. Он также привел одну из лучших аналогий, какую я когда-либо слышала. Если бы вам подарили моль пенни на день рождения, а потом начали бы уничтожать по миллиону долларов в секунду, то к вашему сотому дню рождения у вас бы сохранилось 99,99 % от подаренных вам денег.

Через сто лет, теряя по миллиону долларов каждую секунду, вы бы обеднели только на 0,01 %. Можете представить? Моль – это чертовски много.

Но давайте вернемся к начальной точке. Мы используем один моль для определения соотношения молекул, необходимого для проведения химических реакций. Количество молей в уравнении обозначается коэффициентом.

Итак, если нам необходимо три моля А, четыре моля В и один моль С для того, чтобы получить один моль D, то на самом деле это означает, что нам нужно 1,807 · 10^24 молекул А, 2,409 · 10^24 молекул В и 6,022 · 10^23 молекул С для того, чтобы получить 6,022 · 10^23 молекул D. (Помните, что 1 моль равен 6,022 · 10^23, так что 3 моля А – это 1,807 · 10^24 молекул или 6,022 · 10^23 · 3.) Однако намного проще будет понять это, если вы посмотрите на следующее химическое уравнение:

3A + 4B + C → D

Теперь, когда вы знаете о молях и характерных для химии реакциях, мы можем перейти к самому интересному: изучению разных типов химических реакций.

Если вы посмотрите на типичные химические реакции, то увидите, что обычно там образуются или разрушаются связи. Данный процесс напрямую связан с поглощением или выделением энергии. Это ответвление химии называется термодинамикой – может, вы слышали о ней раньше, когда изучали механизмы нагревания и охлаждения. Но что вам точно нужно знать, чтобы понять материал главы, так это то, что термодинамика полностью посвящена изучению связи теплоты и работы с химическими реакциями.

Потоки энергии могут быть как положительными, так и отрицательными. Мы рассчитываем поток, необходимый для разрушения всех связей в реакции, и общую энергию, которая выделяется при образовании связей. Самый простой способ запомнить разницу:

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Если при реакции поглощается больше энергии, чем выделяется, то общая энергия реакции положительная. Для лучшего понимания давайте немного «поиграем» с цифрами. (Я буду использовать джоули как наиболее распространенную единицу энергии. В химии мы обычно используем килоджоули (кДж). Приставка «кило» подразумевает, что мы говорим о тысяче джоулей.)

Например, нам требуется 500 кДж, чтобы разрушить все предыдущие связи, а также нам нужно выделить 250 кДж путем образования новых молекул. Уравнение будет выглядеть следующим образом:

общая энергия = 500 кДж – 250 кДж

общая энергия = +250 кДж

В итоге мы получили положительный заряд, равный +250 кДж. В данном примере энергии, затраченной на разрушение старых связей, было больше, чем энергии, выделившейся в процессе образования новых. Возможно, из-за того, что связи в изначальной молекуле были прочнее, чем в молекулах, которые образовались после. Если реагенты (предыдущие связи) были стабильнее продуктов реакции (новые связи), то такие изменения энергия называются эндотермическими.

Каждый раз, когда мы разрушаем связь в реакции, нам нужно добавлять энергию. Это значит, что процесс разрушения связей всегда будет эндотермическим. Давайте посмотрим на другом примере, представленном ниже. Ковалентная связь А – В разрушена, остались только атом А и атом В:

А – В + энергия → А + В

Чтобы показать эндотермический процесс, нужно сложить элементы уравнения с энергией. Эти реакции действуют точно так же, как и игра «Алибаба» (Red Rover[7]), в которую мы играли в детстве. Помните эту игру? Одна команда выстраивалась в линию, держась за руки, а участник из второй команды должен пробежать между двумя людьми и попытаться разорвать их связь. Двое всегда держатся за руки. К тому же у бегущего должно быть достаточно энергии для того, чтобы он смог разрушить связь между человеком А и человеком B.

Чтобы полностью понять этот процесс, давайте подумаем о том, что происходит, когда вы поднимаетесь по лестнице. Если вы двигаетесь снизу вверх, то вам нужно использовать энергию, чтобы поднять ногу и наступить на следующую ступеньку. Усилия, прилагаемые вами, похожи на энергию, которая необходима для разрушения связи между атомами А и В.

Если мы добавим достаточное количество тепла, то атомы начнут разделяться: это происходит реакция разложения. Важно отметить, что существует тонкая грань между достаточным количеством энергии для проведения реакции и ее избытком, который все уничтожит. Я даже не помню точное количество раз, когда из-за этого уничтожала образцы в лаборатории и печенье в духовке. Ваша еда сгорает точно таким же образом: молекулы чернеют в процессе реакции разложения, из-за чего еда принимает горелый вид. Возможно, от нее будет исходить неприятный запах.

Некоторые молекулы, например гидроксид алюминия, при достаточной температуре очень быстро разлагаются. Связи в молекуле мгновенно разрушаются, в результате чего атомы отдаляются друг от друга. Во время разложения молекула поглощает много тепла, обеспечивая защиту от огня всему, что находится рядом. Именно поэтому гидроксид алюминия используют в качестве подавителя горения в некоторых материалах (поскольку тепло не может через него пройти). Как вы уже догадались, я обожаю это соединение из-за его сильных эндотермических свойств.

Некоторым молекулам для разложения требуется еще больше энергии. Например, когда молекула кислорода взаимодействует с большим количеством энергии, например ультрафиолетовым излучением, то связи в ней разрываются или диссоциируются. Энергия ультрафиолетового излучения настолько сильна, что молекула сразу же распадается на несколько частичек. Если это происходит с газообразным кислородом, которым мы дышим, – то, что называется двухатомным кислородом (О_2) – то двойная связь разрушается, а два атома кислорода (О) освобождаются. Рассмотрим пример:

O=O → O + O

Такое разложение кислорода происходит только в том случае, если молекула поглощает поступающую энергию. Та разрушает двойную связь и заставляет два атома кислорода перейти в более высокое энергетическое состояние. Если данная реакция происходит в стратосфере, то два атома кислорода будут настолько недовольны, что сразу попытаются восстановить двойную связь. Некоторые из них «захватывают» третий атом кислорода и формируют озон (О_3). Они делают все возможное, чтобы восстановить разрушенные связи с соседними атомами.

Но как же работает этот процесс? Что именно ответственно за создание связей?

Чтобы ответить на эти вопросы, вернемся к нашим расчетам. Мы уже знаем, что для разрушения существующих связей нам необходимо +500 кДж энергии. Но теперь давайте представим, что при образовании новых молекул выделяется 750 кДж энергии. Разница в энергии составила –250 кДж, и это означает, что во время химической реакции выделилось больше энергии, чем было поглощено.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

общая энергия = 500 кДж – 750 кДж

общая энергия = –250 кДж

Если новые связи прочнее исходных, то такая реакция называется экзотермической. И у реакций с негативной энергией есть одно классное свойство: они часто происходят самостоятельно.

Если мы посмотрим на экзотермическую реакцию между твердым барием и газообразным хлором, то увидим, как они объединятся и образуют новую связь. Барий в твердом состоянии образует ионную связь с газообразным хлором, из-за чего формируется новая ионная молекула – хлорид бария. Эту химическую реакцию можно записать в виде уравнения:

Ba + Cl_2 → BaCl_2

И хотя вам может показаться, что из уравнения ничего не понять, просто поверьте. Если я говорю, что барий и хлор при образовании ионной связи будут выделять немного энергии, все так и есть. При образовании новой связи выделяется энергия, поскольку у исходных веществ, перед началом реакции, было больше энергии, чем есть у тех, которые появились в результате.

Мы можем записать это в виде химического уравнения:

Ba + Cl_2 → BaCl_2 + энергия

Или в более общем виде:

A + B → А + В + энергия

При образовании связи между двумя атомами энергия внутри самих атомов снижается. Природа всегда пытается оказаться в месте с более низкой энергией. Нам ведь не хочется заниматься физическими упражнениями после долгого и тяжелого дня, верно? Атомы после проведения химической реакции тоже стараются оставаться в состоянии с низкой энергией. Низкая энергия – это хорошо, так как полученная молекула будет стабильнее атомов, из которых она образовалась.

Не забывайте, что стабильность в химии – это гарант того, что молекула практически не будет реагировать с другими молекулами. Что еще важнее, ее электроны будут притягиваться к протонам в ядре каждого из атомов. Большое, сильное притяжение между электронами и протонами значит, что валентные электроны «защищены», так как им трудно реагировать с другими молекулами.

Вот что происходит, когда изменение общей энергии является отрицательным. Атомы с легкостью перестраиваются и переходят на низкий энергетический уровень, а это значит, что продукты реакции будут намного стабильнее реагентов. Именно это происходит при реакциях соединения, противоположных реакции разложения. Если вы подумали, что молекулы могут встать в строй, как Beyoncé и ее танцоры, то вы угадали. Реакция соединения происходит тогда, когда два атома или две молекулы объединяются, образуя новую связь. Точно так же, как и на выступлениях Beyoncé, где она и ее танцоры выступают как один организм.

Классический пример реакции соединения – экзотермическая реакция. Реагент А взаимодействует с реагентом В и образует продукт реакции A – B. Чтобы реакция прошла успешно, между реагентами А и В должна образоваться связь; это означает, что они должны притягиваться друг к другу. Реакция соединения может возникнуть между двумя атомами, двумя молекулами и даже между атомом и молекулой.

Образованная между А и В связь может быть как ионной, так и ковалентной. Обычно такая реакция положительная, поскольку полученная молекула стабильнее, чем используемые реагенты. На самом деле эта связь могла вообще не образоваться, если бы она была чуть менее стабильной. Такое взаимодействие можно сравнить с людьми, состоящими в идеальных отношениях: им лучше находиться вместе, чем порознь. Поскольку каждый из них выявляет лучшие качества в партнере, они будут намного счастливее, если окажутся связаны с кем-то. С атомами в реакциях соединения то же самое: им намного лучше вместе.

Прекрасный пример – реакция между железом и кислородом. Когда железо подвергается воздействию кислорода, оно начинает ржаветь. Здесь железо и кислород вступают в реакцию соединения и образуют оксид железа. Рассмотрим уравнение:

2Fe + 3/2O_2 → Fe_2O_3 + энергия

Поскольку это экзотермическая реакция мы понимаем, что оксид железа будет стабильнее железа или кислорода. Это одна из причин, почему так легко образуется ржавчина; железо скорее вступит в реакцию с кислородом, чем будет находиться само по себе.

Две основные химические реакции, – соединения и разложения – относительно простые. Мы либо добавляем энергию, чтобы разорвать связь в реакциях разложения, либо не добавляем, и она выделяется при образовании новых связей в реакциях соединения. К сожалению, большинство химических реакций намного сложнее. Дело в том, что обычно формируются и разрушатся многократные связи. Это означает, что в ходе реакции должно выделиться количество энергии, достаточное для того, чтобы разорвать связи в реагентах: только так атомы смогут перестроиться и образовать новые связи.

В качестве примера давайте рассмотрим две молекулы: молекула А – В и молекула С – D. А и С – это катионы (+), а В и D – анионы (—). Химическое уравнение представлено ниже:

A – B + C – D → A – D + B – C

Чтобы реакция началась, мне нужно добавить определенное количество тепла, достаточное для разрушения связи между атомами А и В и связи между атомами С и D. Как только это случится, атомы перестроятся. Сформируются новые связи между А и D и В и С. (Не забывайте, что А и С отталкиваются друг от друга, так как оба имеют положительный заряд. То же самое касается В и D, ведь они оба отрицательного заряда.)

Вы можете задаться вопросом: «А почему атомы решили сформировать новые молекулы с другими атомами, а не вернулись к изначальным партнерам?» Ответ прост: новые связи более прочные. Между А и D притяжение сильнее, чем между А и В.

Вы когда-нибудь слышали историю о том, как Райан Рейнольдс познакомился с Блейк Лайвли? Сейчас расскажу.

Райан и Блейк встретились на двойном свидании вслепую, однако изначально они были в паре с другими людьми: Райан был с другой девушкой, а Блейк – с другим мужчиной. Видимо, ни один из них не был увлечен своим партнером, поэтому они влюбились друг в друга. Запишем это в виде уравнения:

Райан – Женщина + Блейк – Мужчина → Райан – Блейк + Женщина – Мужчина

Это неловкое свидание – отличный пример реакции двойной замены. На половине реагентов разрываются две связи, а на половине продукта реакции формируются две новые. Получившиеся связи намного прочнее первоначальных, так как теперь между атомами существует сильное притяжение. Это подтверждается крепким браком Райана и Блейк.

По правде говоря, я сильно расстроюсь, если они когда-нибудь расстанутся. Знаете, их история – отличный пример реакции двойной замены. Я даже могу предположить, что их отношения очень прочные, а их брак действительно идеальный.

Если Райан и Блейк – это двойная реакция замены, то Кэрри и Биг из «Секса в большом городе» – это реакция горения. Они то сходились, то расходились, и их отношения были «взрывоопасными», окруженными большим количеством тепла и энергии. В качестве примера я собираюсь проанализировать одну из моих любимых реакций, горение водорода. (Я же говорила, что что-нибудь да взорву.) В этой химической реакции газообразный водород и кислород вступают в реакцию, образуя воду:

H_2 + O_2 → H_2O + энергия

С этим уравнением связана одна большая проблема: на половине реагента у нас есть два атома кислорода, в то время как на половине продукта мы видим только один. Это означает, что химическое уравнение несбалансированное; я писала об этом в начале главы. Следовательно, чтобы не потерять атомы в ходе реакции, нам нужно добавить коэффициенты. Сбалансированное химическое уравнение выглядит вот так:

2H_2 + O_2 → 2H_2O + энергия

Теперь у меня есть четыре атома водорода с левой стороны (по два атома на каждую молекулу водорода) и четыре с правой стороны (по два атома на каждую молекулу воды). У меня есть два атома кислорода с левой стороны (два атома в одной молекуле) и два с правой стороны (по одному атому на каждую молекулу воды).

Всякий раз, когда я сжигаю водород, газ воспламеняется, а в воздухе звучит хлопок. Этот хлопок – результат перегруппировки атомов водорода и кислорода при образовании двух молекул воды. Поскольку это происходит в микроскопическом масштабе, я никогда не вижу образовавшиеся капли воды.

«На микроскопическом уровне» означает, что для формирования двух молей воды требуется два моля водорода и один моль кислорода (1,204 · 10^24 молекул водорода и 6,022 · 10^23 молекул кислорода реагируют с образованием 1,204 · 10^24 молекул воды). Чтобы протекла химическая реакция, все связи (водород – водород и кислород – кислород) должны разрушиться. Только так между водородом и кислородом смогут сформироваться новые связи.

Чтобы не запутаться, давайте рассмотрим химическое уравнение без использования коэффициентов. Эта версия уравнения тоже правильная, но так никто не записывает.

H_2 + H_2 + O_2 → H_2O + H_2O

Мы видим, что есть три разные молекулы, которые разрушатся, а затем образуются две новые. Однако нам все еще трудно увидеть связь внутри молекул. Мы можем переписать химическое уравнение следующим образом:

H – H + H – H + O=O → H – O – H + H – O – H

В переписанном уравнении мы лучше понимаем связи между атомами. Если мы воспользуемся таблицей энергии связей – таблицей, где указана энергия, необходимая для разрушения или образования связи, – которая есть во многих книгах по химии (и учебниках), то сможем предсказать, какой будет реакция: экзотермической или эндотермической. Энергии связей H – H, O=O и H – O составляют 432, 495 и 467 кДж соответственно. Если мы подставим эти данные в уравнения, то определим, каким будет изменение энергии при сгорании водорода: положительным или отрицательным.

Общая энергия = Разрушенные связи – Образованные связи

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O – H + H – O – H]

У воды есть две эквивалентные водородно-кислородные связи, так что мы можем переписать вторую часть уравнения следующим образом:

Общая энергия = [H – H + H – H + O=O] – [H – O + H – O + H – O + H – O]

Теперь у нас есть две связи водород – водород и четыре связи водород – кислород. Мы можем упростить наше уравнение следующим образом:

Общая энергия = [2(H – H) + O=O] – [4(H – O)]

Теперь мы можем вычислить, что изменение энергии при сгорании водорода будет отрицательным:

Общая энергия = [2(432) + (495)] – [4(467)]

Общая энергия = –509 кДж

Эта экзотермическая реакция – реагенты обладали большей энергией, чем продукты реакции.

Но что на самом деле говорит нам число 509 кДж? Во-первых, оно указывает на то, что реакция произойдет спонтанно (сама по себе, без воздействия извне). Это не должно удивлять, многие знают, что водород весьма взрывоопасен и легко воспламеняется.

Во-вторых, мы будем ожидать, что в ходе реакции выделится тепло. Все экзотермические реакции всегда «горячие». Если мы будем находиться близко к месту проведения реакции, то сможем физически почувствовать выделяющуюся энергию.

Это очень важно, ведь если ученые смогут точно предсказывать, сколько тепла выделится при той или иной реакции, то смогут использовать это для создания множества полезных и интересных технологий, например, грелки для рук. Недавно мой муж получил плюсик в карме: в середине ноября мы посетили национальный парк Секвойя, и он перед поездкой взял с собой грелки для рук. Мы выходили гулять утром, и на улице было очень холодно – даже не представляю, чтобы я делала без своих «химических горячих карманов».

Если вы никогда не пользовались грелками для рук, то представьте небольшие чайные пакетики с черным порошком внутри. Когда на металлический порошок воздействует кислород, происходит экзотермическая реакция, в ходе которой выделяется тепло. Это тепло будет выделяться несколько часов, в течение которых ваши руки будут оставаться красивыми и в тепле. Но удивительно другое: то же самое используется для обогрева небольших комнат или поддержания определенной температуры при транспортировке тропических рыб! Одну химическую реакцию можно использовать для разных целей.

С другой стороны, эндотермические реакции не выделяют тепло. Ваша мама когда-нибудь заставляла вас полоскать больное горло соленой водой? Моя – постоянно. Я растворяла столовую соль в воде – получалась соленая вода, которой я прополаскивала горло. Но меня тогда удивляла одна вещь – соленая вода всегда была холодной. Каждый раз, когда я добавляла в воду соль, температура воды падала. Не верите? Попробуйте сами!

Когда мы добавляем к воде соль, протекает эндотермическая реакция. Полученный раствор будет холоднее воды, и это происходит в ходе всех эндотермических реакций.

Если вы когда-нибудь использовали гипотермический пакет, то, я уверена, благословили всех ученых за его создание. Гипотермические пакеты состоят из двух. В первом пакетике находится соль, например нитрат аммония, а во втором – чистая вода без примесей. Чаще всего в подобных пакетах используется нитрат аммония, поскольку при его растворении в воде происходит особенно эндотермическая – или холодная – реакция.

Всякий раз, когда на футбольном поле требовалась медицинская помощь, мой тренер брал гипотермический пакет и сразу же начинал его мять. Только во взрослом возрасте я узнала, что вы можете «активировать» пакет, просто сжав. В любом случае оба пакета внутри разрываются, и происходит химическая реакция. Как только соль попадает в воду, она начинает растворяться и понижать температуру жидкости, одновременно с этим принося пострадавшему игроку облегчение.

Грелки для рук и гипотермические пакеты – это уникальные предметы, которые практически всегда можно найти в аптечках первой помощи. Удивительно, что с помощью двух основных химических реакций можно создать предметы, которые буквально могут спасти жизнь.

Поздравляю! Только что вы узнали почти все, о чем я рассказываю на шестинедельном вводном курсе по общей химии. Теперь вы можете рассказать мне о структуре атома и о формировании связей между ними. Вы умеете отличать ионные связи от ковалентных, а также объяснять механизм образования связи между молекулами. Способны сравнивать химические и физические изменения веществ. Наконец, вы понимаете, какие энергетические изменения происходят во время реакции и каковы различия между эндотермическими и экзотермическими процессами.

Вы закончили курс Chem 101, и я с нетерпением жду вас во второй части этой книги. У нас заложена хорошая база, и теперь мы можем обсудить более интересные вещи. Например, из чего состоит ваш утренний завтрак или что происходит на самом деле, когда вы моете голову шампунем. Вы сталкиваетесь с химией ежедневно, и мне кажется, вы будете удивлены тем, насколько часто ее используете. Итак, возьмите с собой фартук, потому что мы идем на кухню!

Часть II. Химия здесь, там и везде

5. Лучшая часть пробуждения. Завтрак

Вы уже знакомы с основными принципами химии, теперь я собираюсь провести вас через обычный – и слегка загруженный – день. Я расскажу о науке и приведу мои любимые примеры из реальной жизни. Помните: если вы забыли какой-то термин из первых глав, то обратитесь к глоссарию в конце книги. Итак, давайте с самого начала: завтрака.

Вы когда-нибудь слышали, как кто-то говорит, что весь день будет злой и раздражительный, если утром не выпьет чашку кофе? Может, этот «кто-то» вы сами? Или после чашечки эспрессо становится добрее ваш начальник? Существуют убедительные доказательства того, что кофе влияет на наше настроение. Знаете, с чем это связано? Дело в том, что у людей быстро развивается зависимость от кофеина, из-за чего они чувствуют себя раздраженными, если в их организме недостаточно молекул кофеина. Не волнуйтесь, я тоже страдаю от этого. Каждое. Утро.

Триметилксантин – или кофеин – белый порошок без запаха с горьким вкусом. В природе кофеин можно найти в кофейных зернах или в чайных листьях, поэтому мы очень редко встречаем его в виде порошка. При приеме кофеина внутрь он начинает действовать как психотропный препарат (то же самое воздействие на организм оказывает морфин или никотин), а это означает, что кофеин нарушает работу мозга, а также влияет на поведение человека. Некоторые психоактивные вещества могут просто изменять ваше настроение, однако особенно сильные способны даже оказать воздействие на ваше сознание. Кофеин – это «мягкое» вещество: он почти не влияет на центральную нервную систему (мозг и спинной мозг).

Но как это работает? Что происходит, когда кофеин попадает в человеческий организм? Как одна простая молекула может дать нам столько «энергии»? И почему это влияет на поведение людей?

Давайте начнем с основ. Кофеин имеет молекулярную формулу C_8H_10N_4O_2 и является производным пурина. Это значит, что молекула кофеина состоит из пятичленного кольца, соединенного с шестичленным кольцом. В каждом кольце содержится по два атома азота. (Под «пятичленным кольцом» я имею в виду то, что пять атомов углерода образуют круг. То же самое относится к шестичленному кольцу.)

Большую роль играет структура молекулы, ведь благодаря ей кофеин может связываться с определенными рецепторами в вашем мозгу. Обычно эти рецепторы соединяются с молекулой аденозина, которая содержится в организме человека. Но иногда рецепторы путаются, из-за чего они могут соединиться с молекулой кофеина. И это проблема, ведь аденозин используется для производства молекулы РНК, необходимой для жизни человека. К счастью, образованные между кофеином и рецепторами связи недолговечны, так что это практически не отражается на работе аденозина.

Когда аденозин соединяется с рецепторами в нашем мозгу, мы чувствуем сонливость и усталость. Следовательно, кофеин предотвращает возникновение сонливости, поскольку аденозин в этот момент не может соединиться с рецепторами. То есть кофеин просто блокирует вызывающие сонливость молекулы, а не «дает вам энергию».

Кофеин прямо как вышибала в ночном клубе, только он работает в вашем мозге.

Со временем у человека может развиться кофеинизм – состояние, возникающее после регулярного употребления 1–1,5 грамма кофеина в день на протяжении длительного времени. Подобных людей очень легко определить: они постоянно раздражены, у них повышенная тревожность и их часто беспокоят головные боли. Человек может получить передозировку, если он употребит более 10 грамм (или 10 000 мг) в день. Но, по правде говоря, вам придется постараться, чтобы ваш организм получил такую дозу кофеина. Вам придется выпить около пятидесяти чашек кофе или чуть больше двухсот банок диетической колы.

В чае и кофе содержится больше кофеина, чем в газированных напитках. В одной чашке кофе его примерно 100 мг, однако в определенных условиях (в зависимости от зерен и техники приготовления) содержание кофеина может достигать 174 мг. Весь процесс обработки и приготовления кофе очень увлекателен. Например, большую дозу кофеина можно получить в том случае, если вы пьете кофе из слабо обжаренных зерен, приготовленный в эспрессо-машине. Если вы используете капельный метод заваривания, то кофе с большим содержанием кофеина можно получить из сильно обжаренных зерен. В принципе, количество кофеина в одной кружке практически не зависит от степени обжарки зерен, ведь количество молекул вещества будет примерно одинаковым в любом кофе (кроме эспрессо).

Давайте разберемся, почему так происходит. Все зависит от процесса обжарки кофейных зерен. При их нагревании происходит эндотермический процесс (зерна поглощают энергию). Однако, когда температура достигает отметки 175°C (347°F), процесс становится экзотермическим. Это значит, что зерна поглотили так много тепла, что начали отдавать его обратно обжарочной машине. Когда это происходит, необходимо перенастроить оборудование, чтобы не пережарить зерна (у такого кофе вкус подгоревших зерен). Некоторые профессионалы по несколько раз обжаривают кофейные зерна при разных температурах (из-за чего эндотермический и экзотермический процессы многократно сменяют друг друга), добиваясь разных вкусов напитка.

Со временем обжаренные зерна меняют цвет с зеленого на желтый, а затем – на различные оттенки коричневого. От темноты зерен зависит обжарка; сильно обжаренные будут намного темнее слабо обжаренных зерен (сюрприз!). Цвет зерен зависит от температуры обжарки. Чтобы добиться слабой обжарки, зерна обрабатывают при температуре до 200°C (392°F), а чтобы добиться сильной обжарки – при температуре 225–245°C (437–473°F).

Но перед тем, как зерна начинают обжариваться, они должны слегка растрескаться. При температуре 196°C (385°F) раздается «первый треск». Во время этого процесса зерна поглощают тепло, а также увеличиваются в размере. Однако, так как при высоких температурах вода из зерен выпаривается, их масса уменьшается примерно на 15 %.

После стадии потрескивания зерна становятся сухими и перестают поглощать тепло. Теперь тепло используется для карамелизации сахаров, находящихся на поверхности зерен. В этом случае тепло используется для разрушения связей в сахарозе (сахаре), из-за чего образуются маленькие (и ароматные) молекулы. Примеры светлой обжарки – коричная и новоанглийская. Такие сорта обжариваются до «первого треска», после чего их снимают с огня.

Существует и «второй треск», который раздается уже при более высоких температурах. При 224°C (435°F) нарушается структурная целостность зерен, и они начинают ломаться. Этот процесс сопровождается характерным звуком. По темному цвету мы узнаем зерна, которые были обжарены после «второго треска», например, французская или итальянская обжарки. Как правило, из-за высоких температур в темных сортах процесс карамелизации сахара происходит дольше, чем при в светлых. И хотя разница во вкусе между двумя видами обработки зерен велика, на самом деле обжарка никак не влияет на реакцию нашего организма на кофе.

Чтобы сделать хороший кофе, вам нужно купить идеально обжаренные кофейные зерна. С помощью дешевой кофемолки вы можете перемолоть зерна, выбрав нужный вам помол – он также влияет на вкус. У мелкого помола большая площадь поверхности, а это означает, что кофеин можно экстрагировать из маленьких зерен кофе. Но в таком случае можно переборщить и получить горький кофе.

Вы также можете выбрать крупный помол; в этом случае зерна более цельные, чем при мелком помоле. Очень часто кофе получается кислым, иногда слегка соленым. Однако если у вас получится рассчитать правильную граммовку и выбрать подходящий метод заваривания, то вы сможете приготовить лучший кофе в мире.

Самый простой способ приготовить бодрящий напиток – это добавление горячей воды в кофе крупного помола. Вы просто кладете перетертые зерна в емкость, а затем заливаете их водой. Спустя несколько минут, когда кофе отдаст вещества воде, напиток переливается в кружку. Этот процесс называется отвариванием (завариванием), в ходе него горячая вода растворяет молекулы внутри кофейных зерен. Большая часть современных методов приготовления кофе использует ту или иною технику заваривания, благодаря чему мы можем выпить чашку теплого напитка, а не грызть гущу из жареных зерен. Однако, так как в данном способе приготовления не предусмотрена фильтрация, при заваривании может всплыть осадок. В народе такой кофе ласково называют ковбойским, так что это не слишком популярный способ приготовления бодрящего напитка.

Кстати, вы заметили, что я избегаю слова кипячение? Если вы хотите приготовить большую кружку кофе, то горячую воду никогда нельзя доводить до кипения. Идеальная температура воды для кофе составляет примерно 96°C (205°F) – чуть ниже точки кипения (100°C, 212°F). При температуре 96°C молекулы кофе отдают аромат и вкус воде, растворяясь. К сожалению, если вода будет горячее всего на 4°C, растворятся молекулы, отвечающие за горький вкус напитка. Вот почему баристы и любители кофе так одержимы температурой воды. Мы дома, например, используем электрический чайник, позволяющий выбрать нужную температуру для нагрева.

В зависимости от желаемой вами крепости кофе вы можете заварить его в френч-прессе или каким-то другим способом. Способ приготовления похож на ковбойский кофе: вы просто добавляете к кофейной гуще горячую воду. Если вы завариваете кофе в френч-прессе, советую выбирать крупный помол. Через несколько минут поршень продавливается, опуская всю гущу на дно френч-пресса, благодаря чему оставшийся напиток будет прозрачным и очень вкусным. Так как здесь используется кофе крупного помола, при заваривании растворится большое количество молекул, и мы получим более интенсивный вкус (в сравнении с ковбойским кофе).

Другой способ заваривания кофе – это капельный метод: горячая вода капает на кофейную гущу, кофе передает воде аромат и вкус, а затем напиток выливается в кружку. Вы можете заваривать кофе вручную или с помощью оборудования, например капельной кофеварки. Иногда при этом способе заваривания используется холодная вода – в таком случае молекулы, отвечающие за аромат кофе, не смогут раствориться. Получается голландский холодный кофе, популярный в Японии; приготовление этой разновидности напитка занимает примерно два часа.

Самый популярный способ заваривания кофе – это давление. Изначально он использовался в Италии, однако вскоре стал основным практически в каждой кофейне во всем мире. При приготовлении кофе таким способом, как можно догадаться, используется давление, под которым вода проталкивается свозь молотые зерна. В этом случае обычно используется кофе мелкого помола, поскольку он имеет большую площадь (в сравнении с тем помолом, который используют для заваривания во френч-прессе или в приготовлении ковбойского кофе); при данном способе приготовления вода может растворять больше молекул. Именно поэтому в полученном напитке содержится большая концентрация кофеина. По правде говоря, в полученном эспрессо содержится так много молекул кофеина (120–170 мг), что обычно его подают в маленьких чашках, чтобы ничего не подозревающий посетитель не получил слишком большую дозу.

Мой муж, как и 44 % других американцев, не может начать свое утро без чашечки кофе. Обычно он чередует разные способы заваривания: пуровер (капельный метод) и аэропресс (давление). Я не слишком люблю вкус кофе, но мне было интересно, что американцы предпочитают пить по утрам. Оказалось, что вторым по популярности напитком является вода (16 %), а третьим – сок (14 %).

Клюквенный и томатный соки самые полезные, однако большинство американцев предпочитают апельсиновый. В большинстве свежевыжатых фруктовых соков много антиоксидантов и витаминов, к тому же у них низкое содержание сахара. Но в процессе производства состав соков может сильно измениться.

Давайте в качестве примера рассмотрим апельсиновый. Если вы делаете свежевыжатый апельсиновый сок, то полученный напиток будет содержать лимонную кислоту, витамин С и натуральные сахара. Все эти молекулы растворяются в апельсиновом соке (который по большей части состоит из воды), так что они просто-напросто «вытекают» из апельсина, когда вы его выжимаете. Однако если вы пьете покупной сок, то будьте готовы к тому, что производитель изменил состав. Например, он мог добавить консерванты (чтобы предотвратить рост бактерий), витамины и минералы (например, витамин D и кальций). В апельсиновом соке содержится много витамина С, однако также есть витамин D, способствующий здоровому росту костей.

К тому же при приготовлении на производстве сок проходит один важный этап – пастеризацию. Он намного важнее, чем этап добавления витаминов и минералов. При пастеризации используются высокие температуры, при которых расщепляются опасные ферменты, содержащиеся в апельсиновом соке. Подобные молекулы (например, пектинэстераза) не выдерживают высоких температур; обычно сок пастеризуют около сорока секунд при температуре 92°C (198°F). Затем его упаковывают в емкость и отправляют в продуктовые магазины.

Процесс пастеризации широко распространен в производстве многих соков. Однако, в зависимости от используемых овощей или фруктов, температура и время могут сильно отличаться. Мой любимый сок (яблочный) нужно греть шесть секунд при температуре 71°C (160°F) или 0,3 секунды при температуре 82°C (180°F). Так как обычно яблоки имеют кислый вкус, быстрая пастеризация – это все, что необходимо для предотвращения роста бактерий кишечной палочки или паразитов криптоспоридии. Потом яблочный сок быстро разливается по емкостям и отправляется в продуктовые магазины.

А что, если ваш день начинается не с кофе, воды или сока? Есть ли какие-то другие популярные напитки? Согласно проведенному недавно исследованию, 11 % американцев на завтрак пьют газировку (я отношусь к этому числу людей), а оставшиеся 15 % пьют молоко и чай.

Думаю, вы уже знаете, что в основном молоко состоит из воды с небольшим количеством жира, белков и минералов. Так как жиры в молоке твердые, а вода – жидкая, то обычно такую уникальную комбинацию можно найти или в виде эмульсии, или в виде коллоида. Эмульсия – это жидкость, разбавленная другой жидкостью; коллоид – это твердые частицы, диспергированные в жидкости. В любом случае жиры и белки образуют взвесь в воде, благодаря чему мы получаем плотную жидкость.

Гомогенизированное молоко – это идеальный пример эмульсии, поскольку измельченные жиры с легкостью образуют взвесь в воде. Небольшие капли масла находятся в жидком состоянии и диспергированы в молоке.

Цельное молоко – это отличный пример коллоида из-за высокого процентного содержания твердого жира, который также образует взвесь в воде. Жировые капли здесь намного крупнее, так как это молоко нельзя эмульгировать. Несмотря на то, что под микроскопом эти жировые капли выглядят большими, их все еще очень трудно увидеть невооруженным глазом.

Если вы с трудом можете представить что-то из написанного выше, то сейчас же пойдите на кухню и достаньте заправку для винегрета. Когда вы достанете ее из холодильника, то увидите, что сверху слоя воды есть слой масла. Перемешайте заправку. Теперь перед вами идеальное макроскопическое изображение коллоида. Слои масла и воды перемешались между собой, и образовалась эмульсия (жидкость, разбавленная другой жидкостью), однако семена и другие объекты просто плавают в жидкости, из-за чего ее можно назвать коллоидом (твердое вещество, диспергированное в жидкости).

Вне зависимости от того, чем является ваше молоко, у вас есть немного времени, чтобы приготовить быстрый «химический» завтрак. Давайте рассмотрим яичницу из трех ингредиентов: яйца, мяса и овощей.

Важно, чтобы сковорода прогревалась равномерно, – только так у вас получится сделать омлет, одинаково готовый по всей своей площади, поскольку атомы сковородки поглотят много тепла от плиты.

Если мы пользуемся газовой плитой, то тепло будет выделяться в результате реакции горения, которая происходит непосредственно под сковородкой. В электрических или индукционных плитах для выработки тепла используется сложная система электричества и магнитов. Под индукционной варочной панелью прокладывается медный провод, по которому впоследствии пускают электрический ток. Если на индукционную плиту поставить чугунную сковородку, то медный провод будет индуцировать в нее электрический ток. Вы можете использовать любую сковороду из ферромагнитного материала, однако если вы возьмете любой другой материал, то можете сколько угодно пытаться приготовить хоть что-нибудь, но посуда просто не будет нагреваться. Если вы используете посуду из правильного материала, ток в сковородке вызывает резистивный нагрев. Этот процесс происходит, когда электроны металла пытаются протиснуться через ряд атомов железа.

Чтобы вам легче было понять, как выглядит резистивный нагрев, представьте футболиста, который пытается пробежать от одной зоны защиты к другой. К несчастью для него, на поле находятся сотни игроков из другой команды, и ему нужно сделать все возможное, чтобы прорваться через эту стену. Когда футболист доберется до другой зоны защиты, он будет «излучать» тепло – еще бы, после такой тренировки! То же самое происходит с электронами во время готовки на индукционной плите. Им нужно пробиться сквозь атомы железа в сковороде, и они прилагают так много усилий, что начинают выделять энергию.

Пока сковородка прогревается, я беру венчик и смешиваю два или три яйца в однородную смесь. Почему венчик? Дело в том, что он относится к молекулам внутри яиц мягче, чем другие приборы. Это может показаться нелогичным, но да, яйца лучше взбивать венчиком, а не ложкой или вилкой. С помощью венчика можно аккуратно смешать между собой белок и желток, не повредив их.

С точки зрения химии белок – это полипептид, большая молекула, образованная из двух или более аминокислот. Всего известно более пятисот аминокислот, при этом двадцать из них входят в состав нашей ДНК. Но только девять аминокислот считаются основными. Некоторые не могут быть синтезированы нашим организмом, поэтому мы должны получать их извне.

Обычно аминокислоты содержатся во всех видах пищи; особенно ими богато мясо. На молекулярном уровне все аминокислоты имеют четыре функциональные группы, связанные с центральным атомом углерода. В химии мы используем термин «функциональные группы» для описания небольших групп атомов, влияющих на реакционную способность молекулы. Каждый раз, когда мы, ученые, говорим о функциональной группе, мы говорим о небольшой части молекулы. Также это говорит о том, что остальные части молекулы не столь важны (по крайней мере, в данном примере).

Давайте поговорим о четырех функциональных группах в аминокислотах. Первая группа простая: это атом водорода (H). Вторая группа – амин (NH_2), а третья – карбоновая кислота (COOH). Вне зависимости от того, какую из пятисот аминокислот вы решите исследовать, она всегда будет состоять из этих трех групп атомов. Индивидуальность аминокислоты зависит от четвертой группы. Например, если четвертая группа – это дополнительный атом водорода, то мы понимаем, что перед нами глицин. Однако если четвертая группа представляет собой длинную цепочку из углеродов и амина, то такую аминокислоту мы называем лизином.

Если аминокислоты всех видов объединяются, то образуются белки. Например, когда амин (NH_2) одной аминокислоты вступает в реакцию с карбоновой кислотой (COOH) другой аминокислоты, то образуется дипептид со связью углерод – азот. Белки огромного размера, как, например, в яйцах, представляют собой очень большие молекулы, так что это реакция постоянно повторяется.

При взаимодействии с теплом белки из свернутого состояния переходят в развернутое. Тут можно провести аналогию с тем, как человек, свернувшийся калачиком, выпрямляется, принимая позу снежного ангела. Когда это происходит, длина белка увеличивается, и когда большая часть атомов подвергается воздействию тепла, яйцо из жидкого состояния переходит в твердое.

Белок начинает загустевать при температуре 63°C (145°F), при этом желток загустевает при температуре около 70°C (158°F). Однако, когда вместе взбиваются несколько белков, между молекулами образуются силы внутримолекулярного воздействия, которые обеспечивают стабильность яичной смеси. Это означает, что яичная смесь начнет загустевать при 73°C (163°F), после чего станет твердой и полностью приготовится.

Температура влияет на внешний вид и текстуру яйца. На низких температурах вы приготовите «белое» яйцо, например, глазунью, а вот на высоких – что-то вроде болтуньи. К счастью, любая температура, необходимая для приготовления яичницы, убивает все бактерии в яйцах.

Однако этот способ не подходит всем белкам без исключения. Прежде чем добавлять мясо в омлет, его нужно приготовить. Обычно животный белок на 75 % состоит из воды и только на 25 % из белка, однако существует множество его разновидностей. Каждый вид животных обладает уникальным набором белков, поэтому их концентрация в разном мясе будет отличаться. Например, в некоторых видах говядины содержится от 30 до 40 % белка, а в некоторых видах рыбы он не превышает 20 %. Но у всех видов мяса есть одна общая черта: в них содержатся ферменты, то есть белковые соединения.

Ферменты – это биологические катализаторы или молекулы, которые могут повлиять на реакцию. Обычно катализаторы увеличивают скорость протекания реакции. Эта особая категория белков играет решающую роль в функционировании мышц в теле животного. Однако теперь животное мертво, и ферменты вступают в реакции с сырым мясом и овощами, из-за чего оно начинает портиться. К счастью, ферменты неактивны, если продукты хранятся при низких температурах – например, в холодильнике или морозильной камере.

Как только мы достаем что-то из холодильника, белки активизируются и начинают портить нашу еду. Поэтому я советую вам оставлять сырое мясо в холодильнике до тех пор, пока вы не соберетесь начать его приготовление. Затем положите мясо на раскаленную сковороду и быстро прожарьте. Однако есть опасная «золотая середина», которой нужно избегать.

Почему? Дело в том, как ферменты реагируют на тепло. Как и в случае с яйцом, тепло от сковороды передается белкам, заставляя их «разворачиваться». Поскольку ферменты становятся больше, увеличивается и вред, который они могут нанести нашей еде. Поэтому нужно как можно быстрее от них избавиться.

Лучший способ сделать это – быстрая прожарка мяса; так вы сможете полностью избавиться от ферментов. Каждый животный белок имеет свои уникальные ферменты, поэтому разные виды мяса нужно жарить при разной температуре. Например, большую часть говядины можно есть после прожарки мяса при температуре 63°C (145°F) и трехминутного «отдыха». Если эти два условия соблюдены, то, как утверждают в министерстве сельского хозяйства США, ферменты (и все бактерии) в говядине уничтожены, и теперь она безопасна для человека.

Курицу же нужно готовить при минимум 74°C (165°F), ведь только тогда все ферменты будут уничтожены. С сырой курятиной шутки плохи. В ней могут быть обнаружены бактерии сальмонеллы и кампилобактерии, однако они не смогут навредить нам, если мы будет следовать некоторым рекомендациям. Например, сальмонелла умирает при температуре 55°C (131°F) за полтора часа или при 60°C (140°F) за двенадцать минут. Чтобы не заразиться сальмонеллезом, запомните одно простое и надежное правило: температура мяса в центре куска должна составлять не менее 74°C (165°F). Бактерии сальмонеллы при такой температуре умирают мгновенно.

Так как мой муж практически вырос в ресторане, он всегда внимательно следит за тем, где мы храним сырое мясо (особенно курицу). У нас есть разделочные доски, предназначенные только для сырого мяса, и доски, предназначенные только для овощей. Сырое мясо всегда ставится на стол справа от плиты, а овощи – слева. По правде говоря, такой порядок сначала казался мне странным, но теперь я рада, что вы никогда не увидите овощи справа или сырое мясо слева от плиты в моем доме.

В отличие от мяса, сырые овощи можно кидать в яичницу сразу. Просто нарежьте все необходимое и положите в сковороду. Мои любимые – это шпинат, болгарский перец, перец халапеньо и лук. Еще я люблю добавлять какие-нибудь грибы, но они это не овощи.

Если из говядины мы можем получить множество аминокислот, необходимых для нашей жизнедеятельности, то из овощей мы можем получить набор микроэлементов. В том числе витамины и минералы, которые очень важны для человека.

Давайте сначала поговорим о витаминах. Они представляют собой большие молекулы. Обычно витамины делят на водорастворимые и жирорастворимые. Различие между двумя этими видами настолько большое, что изначально все витамины были разделены только так. Самые первые обнаруженные витамины были помечены буквами А (жирорастворимые) и В (водорастворимые). Очень часто в их состав входят атомы углерода, водорода и кислорода, однако растворимость витаминов зависит от расположения этих атомов в молекуле. Витамины, в состав которых входят атомы углерода и водорода, являются неполярными, так что они могут растворяться в других неполярных молекулах (жирах). Витамины, в состав которых входят несколько атомов кислорода, чаще всего являются полярными, так что могут растворяться в других полярных молекулах (воде).

Витамины, входящие в состав группы А – а именно A, D, E и K, – жирорастворимые. Их можно найти в шпинате, грибах, брокколи и капусте соответственно. Раньше также были витамины F – I, но оказалось, что некоторые из них не витамины, а обычные молекулы. Со временем мы узнали, что некоторые витамины – это на самом деле варианты витамина В, например витамин G (сейчас известен как витамин B_2, или рибофлавин) и витамин Н (известен как витамин B_7, или биотин). Несмотря на то, что изначально ученые ошиблись и определили эти витамины в неправильную группу, они были правы в том, что эти две молекулы необходимы для жизнедеятельности человека.

Когда мы едим шпинат или брокколи (или любые другие овощи), то определенные витамины растворяются в наших жирах, а потом ждут момента, когда понадобятся для тех или иных функций. Водорастворимые витамины же выводятся из нашего организма вместе с мочой; вот почему во время болезни нужно употреблять большое количество витамина С.

Витамин С водорастворимый, его нужно часто принимать внутрь. Особенно это касается людей, которые не могут регулярно есть свежие овощи и фрукты, например, если человек в течение длительного времени работает на подводной лодке или корабле. Еще в 1800-х годах британский Королевский флот определил, что для предотвращения заболеваемости цингой нужно принимать витамин С, и предпринял меры: в ром для моряков начали добавлять сок лимона или лайма. Сначала те и не догадывались зачем, но в конце концов поняли, что в лайме содержится достаточное количество витамина С (аскорбиновой кислоты), благодаря чему моряки стали реже болеть цингой. Иронично, что у американцев слово limey (от сл. лайм, лимон) используется для обозначения британцев.

Но у тех, кто не живет на корабле, нет оправдания при развитии дефицита витамина С или любого другого витамина в организма. Просто включите фрукты и овощи в свой рацион; даже если вы будете есть небольшое количество, вы все равно получите необходимые витамины.

Но мы едим овощи не только из-за того, что они богаты витаминами. Из овощей мы получаем ежедневную норму минералов. Минералы намного меньше витаминов, поскольку представляют собой заряженные атомы (ионы). Минералы также водорастворимы. Нашему организму требуются разные типы минералов, так что ученые разделили их на три категории: макроминералы, микроминералы и макроэлементы.

Макроминералы необходимы для поддержания жизнедеятельности человека. Каждый день человеку необходимо употреблять от одного до двух граммов следующих минералов: кальция, хлора, магния, фосфора, калия, натрия и серы. Если вы питаетесь сбалансированно, то нет смысла принимать их отдельно. Например, вы можете добавить в свой рацион брокколи, богатый кальцием, салат и помидоры, богатые хлором, и авокадо, богатое магнием.

В процессе пищеварения минералы извлекаются из овощей и распределяются по всему нашему телу для выполнения основных функций жизнедеятельности. Например, для формирования костей и зубов необходимы ионы кальция. Он даже необходим для того, чтобы наши мышцы сокращались. Самая важная функция кальция в нашем организме – это «помощь» нервам при передаче сигналов в мозг. Проще говоря, если вы употребляете недостаточное количество продуктов, содержащих кальций, ваше тело не сможет поддерживать стабильную связь с руками и ногами.

Также наше тело нуждается в микроминералах, однако в меньшем количестве (отсюда приставка микро-). Существует большое количество микроминералов, однако есть три необходимых иона – медь, железо и цинк. Железо (содержащееся в животном белке) необходимо для того, чтобы гемоглобин мог захватывать кислород из кровотока; медь (содержащаяся в грибах, большинстве орехов и зеленолистных овощах) ответственна за выработку эритроцитов; цинк (содержащийся в яйцах, белковых продуктах и бобовых) используется для создания ДНК.

Количество необходимых микроминералов зависит от размера нашего тела. Министерство сельского хозяйства США рекомендует к употреблению пяти миллиграммов цинка в день для маленьких детей и трех миллиграммов для младенцев. Взрослым женщинам небольшого роста рекомендуется употреблять восемь миллиграммов, взрослым высоким мужчинам – одиннадцать.

К последней категории минералов относят микроэлементы. Их нам необходимо употреблять всего лишь несколько микрограммов. Существует множество микроэлементов, так что я просто упомяну те минералы, которые имеют наибольшее значение для нашего организма. Например, бор. Большое содержание бора обнаружено в изюме, и он помогает регулировать уровень гормонов эстрогена и тестостерона, а также помогает поддерживать кости в хорошем состоянии. Кобальт, содержащийся в молоке, помогает организму усваивать витамин B_12, а также вырабатывать эритроциты. В брокколи содержится большое количество хрома, расщепляющих жиры и сахара; в креветках содержится марганец, необходимый для активации химических реакций с ферментами.

Об одном микроэлементе я хочу поговорить отдельно. Йод. Если в вашем рационе недостаточно пищи, содержащей йод, то у вас может развиться гипотиреоз. В 1990 году была проведена Всемирная встреча на высшем уровне в интересах детей, и уже тогда собравшиеся ученые и активисты задумались над тем, как можно обеспечить доступ к йоду в определенных сообществах. В то время считалось, что прием йода может предотвратить инвалидность среди детей; ученые придумали идеальный план, как устранить отставание в развитии интеллекта. План был таков: они решили заменить часть ионов хлорида в обычной столовой соли (NaCl, хлорид натрия) на иодид-ионы (NaI, йодид натрия).

Результаты превзошли все ожидания. Только в США в ходе ряда исследований получилось доказать, что замена хлорида на йодид-ионы в столовой соли резко повлияла на общий IQ жителей определенных сообществ. К тому же средний доход взрослого населения увеличился на 11 %. Меня всегда поражает то, как от концентрации маленькой молекулы в вашей щитовидной железе зависит вся ваша жизни, начиная от интеллектуальных способностей и заканчивая работой и зарплатой. И насколько странно то, что глобальную проблему здравоохранения получилось решить с помощью обычной столовой соли.

С помощью йода лечат не только людей, больных гипотиреозом, но также и людей с противоположным заболеванием, гипертиреозом. Оно возникает, когда гипофиз вырабатывает слишком много гормона под названием тиреотропный гормон (ТТГ).

Гипофиз вырабатывает ТТГ для регулирования работы двух других гормонов, производимых щитовидной железой. Эти два гормона помогают запустить метаболизм в каждой клетке человеческого тела. Сначала ТТГ покидает гипофиз, а затем перемещается по кровотоку, пока не достигнет щитовидной железы. Молекулы проходят небольшое расстояние, так как щитовидная железа располагается у основания шеи, а гипофиз – в районе носа.

Когда ТТГ достигает щитовидной железы, он начинает стимулировать выработку гормона тироксина, а затем гормона трийодтиронина – катализаторов важных реакций в других частях тела (ответственны за обмен веществ). Это сложные молекулы, состоящие из аминокислоты тирозина и группы атомов йода. И да, человек не сможет выжить без этих гормонов.

При гипертиреозе щитовидная железа вырабатывает большое количество тироксина и трийодтиронина. У больного могут быть обнаружены следующие симптомы: бессонница, тремор частей тела, тревожность, диарея и заболевания глаз. Весь организм выводится из строя. Опасным осложнением гипертиреоза является тиреотоксический криз, приводящий к смерти. Когда он случается, у больного наблюдается высокая температура (выше 40°C), тахикардия и высокое кровяное давление. В ходе криза может произойти инфаркт миокарда или развиться почечная недостаточность; оба состояния могут привести к смерти. Несмотря на то, что тиреотоксический криз – это довольно редкое осложнение, при запущенной болезни вероятность его развития высока.

К счастью, этого можно избежать. Все дело в йоде. Самый распространенный способ лечения гипертиреоза – прием таблеток йода-131. Поскольку клетки щитовидной железы постоянно связывают свои молекулы с йодом, она будет активно образовывать связи с активным веществом. Со временем этот йод начнет разрушать хозяйские клетки, тем самым регулируя концентрацию гормонов щитовидной железы. Другими словами, чем меньше клеток щитовидной железы образуют связи с гормонами щитовидной железы, тем меньше вероятность того, что случится тиреотоксический криз.

Когда на первом курсе я узнала о йоде, то стала слегка одержима им. Тогда я не могла понять, как у одного микроэлемента получается воздействовать на человеческий организм столькими способами. Слишком большая концентрация йода (в щитовидной железе) может вызвать тиреотоксический криз, наступление которого можно предотвратить с помощью йода-131. Слишком маленькая концентрация йода приводит к снижению умственных способностей и деградации. Баланс очень важен, поэтому вам нужно с большой ответственностью подходить к выбору продуктов питания.

Итак, утро началось отлично: мы выпили чашечку кофе, приготовили омлет и выбрали хорошие фрукты и овощи. В следующей главе мы поговорим о том, что происходит после завтрака. Я расскажу, как наш организм перерабатывает еду и превращает ее в энергию, которую потом можно потратить на тренировках.

Честно предупреждаю: в прошлом я была фитнестренером, поэтому просто обожаю заниматься спортом. Ой, подождите секунду. Мне нужно найти микрофон для аэробики, он помогает мне найти в себе Джейн Фонду[8].

6. Почувствуйте жжение. Тренировка

Я – адреналиновый наркоман.

Я люблю заниматься чем-то экстремальным… К сожалению, я не могу прыгнуть с парашютом перед началом пар в университете, так что я просто делаю утреннюю зарядку. По правде говоря, во всем виноват мой дедушка. Он начал бегать каждое утро еще до того, «как это стало модным» (это его слова). Сколько себя помню, мой отец занимался спортом каждое утро, даже когда был в отпуске. В родительском доме было столько тренажеров, что можно было подумать, будто моя семья содержит подпольный спортивный клуб.

Я сопротивлялась как могла, но, в конце концов, тоже начала тренироваться. Мой отец был уверен, что, когда я вырасту, стану заниматься каждый день. Что же, он оказался прав. Я действительно обожаю тренировки.

Когда я училась в аспирантуре, то пыталась найти хобби, которым можно было бы заниматься вне лаборатории. И не знаю почему, но я решила стать инструктором по фитнесу. На протяжении нескольких лет я вела занятия по степ-аэробике, а также утреннюю разминку в тренировочных лагерях. Но самой моей любимой тренировкой был Turbo Kick (кикбоксинг с элементами танца).

Ближе к концу моей работы инструктором, я получила предложение о работе от Nike Training Club. Это был бесценный шанс, поскольку в то время у меня совсем не было денег. К тому же каждую осень и весну Nike дарили нам целую сумку спортивной формы. От нас лишь требовалось надеть форму (тут без возражений) и посетить ряд информационных мероприятий. Мои коллеги не любили посещать подобные семинары, однако я была в полном восторге, когда ознакомилась с наукой, лежащей в основе всей спортивной формы Nike.

Что-то было для меня очевидно: например, что у беговых кроссовок подошва мягче, чем у кроссовок для других видов спорта. Бегун отталкивается и находится выше над землей, так как эти кроссовки не предназначены для бокового бега. Кроссовки для бега разработаны специальным образом: их главная задача – свести к минимуму нагрузку на суставы; при этом кроссовки для других видов спорта обеспечивают боковую устойчивость, поскольку спортсмен постоянно находится на земле.

Больше всего меня заинтересовала та часть, где спикеры анализировали одежду с уникальной технологией Dri-FIT. Влагоотводящие ткани, или Dri-FIT, используются для изготовления спортивной одежды. Главная цель производителей – помочь спортсменам охладиться во время тренировки. Некоторые ткани, к примеру хлопок, не справляются с этой задачей; возможно, вы слышали известную фразу «хлопок убивает». Знаете, почему так говорят?

Человеческий организм охлаждается с помощью потоотделения. Молекулы воды выходят через наши поры, образуя на коже капли. И в этот момент происходит самое важное: молекулы воды начинают испаряться. Когда вода меняет свое состояние, превращаясь в газ, она использует тепло от ближайшего источника – вашего тела – и из-за этого его температура снижается.

Выяснив эту информацию, Nike решили использовать смешанный полиэстер, который может отводить пот от тела спортсмена. Сначала молекулы пота впитываются в определенные участки ткани, после чего жидкость распределяется по всей поверхности одежды. Чем больше молекул воды впитывается тканью, тем больше тепла вашего тела расходуется, а это снижает его общую температуру.

Одежда из хлопка обладает ровно противоположным эффектом. В хлопковых тканях нити располагаются вплотную друг к другу, из-за чего вода не может испариться в атмосферу. Жидкость остается между кожей и одеждой, поэтому человек чувствует себя «мокрым» на протяжении длительного времени.

Так как Nike больше не присылает мне одежду, обычно я заказываю спортивную форму из смеси полиэстера, нейлона и/или спандекса. Все три ткани воздухопроницаемы, а нити, из которых они сплетены, располагаются на достаточном друг от друга расстоянии, чтобы пот мог испаряться с поверхности тела.

Когда я делаю утреннюю зарядку, я могу менять одежду в зависимости от своего настроения. Если я в плохом расположении духа, я надеваю футуристические шорты от INKnBURN; когда я счастлива, я занимаюсь в розовых штанах, заказанных на Amazon. В любом случае я надеваю одежду из влагоотводящего материала, беру бутылку с водой и иду на кухню.

У всех продуктов, вне зависимости от состава, есть калорийность. Нет, я не говорю о том, что пишется на этикетке. Килокалория (пишется с большой буквы, обозначается как «ккал») – это пищевая единица энергии, а калория (пишется с маленькой буквы) – это научная единица энергии. В одной килокалории содержится тысяча калорий; 1 Калория = 1000 калорий = 1 ккал. На этикетках продуктов мы указываем именно Калории, потому что намного проще сказать, что в восьми кренделях с арахисовым маслом содержится 140 Калорий, а не 140 000 калорий.

Но что это число означает на самом деле? Многие придерживаются разных мнений, но когда я вижу 140 Калорий, то для меня это значит, что мой организм может преобразовать восемь крендельков в 140 000 калорий энергии. Другими словами, наше тело получит достаточное количество энергии, чтобы мы могли около часа заниматься растяжкой или заниматься самым медленным бегом.

Да, из восьми крендельков можно получить достаточно энергии, чтобы заниматься активностями в течение часа; шестнадцать крендельков дали бы нам достаточно энергии, чтобы покататься на велосипеде. Удивительно, правда? Особенно если учитывать, что мы делаем это неосознанно.

Преобразование пищи в энергию – это долгий и затратный процесс, называемый окислительным фосфорилированием. Он происходит при участии кислорода и проходит в три этапа.

В первом этапе нет ничего удивительного – ваш желудок должен переварить пищу. Ферменты в желудке и толстой кишке атакуют молекулы пищи, а затем расщепляют их на мелкие атомы. Если молекулы большие, то процесс расщепления займет очень много времени.

Когда все большие молекулы расщеплены на мелкие, начинается второй этап – гликолиз. Во время гликолиза глюкоза расщепляется, образуя маленькие молекулы, называемые пируватами. После пируваты превращаются в углекислый газ (который мы выдыхаем) и две другие молекулы, содержащие ацетильные функциональные группы (Н_3ССО). Эти две новые молекулы образуют связь с коферментом А, образуя ацетил-кофермент А, а затем перемещаются в другую молекулу – оксалоацетат.

Когда это происходит, молекулы ацетила вступают в цикл лимонной кислоты, после чего превращаются в углекислый газ (который мы опять выдыхаем). В ходе этого процесса синтезируются молекулы восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (NADH), которые запускают процесс синтеза аденозинтрифосфата (АТФ).

И в этом, друзья, состоит главная цель пищеварения: синтез АТФ.

АТФ – или аденозинтрифосфат – одна из важнейших молекул в нашем организме, ведь именно она обеспечивает клетки нашего тела энергией. Благодаря этой энергии нервы могут посылать сигналы в мозг, а мышцы сокращаются. АТФ настолько важная молекула, что иногда ее называют «молекулярной валютой». Но, как вы уже поняли, АТФ не остается в желудке или толстой кишке. Но куда она тогда движется?

Небольшие скопления энергии есть во всем теле человека. Так оно в любой момент может высвободить необходимое количество энергии. Например, когда вы опаздываете на автобус и бежите до остановки или когда наклоняетесь за упавшим со стола предметом, ваше тело высвобождает дополнительную энергию, чтобы вы смогли это сделать. Вы ведь не чувствуете усталости, когда занимаетесь повседневными делами, верно?

Количество внезапных движений, которые мы совершаем в течение дня, прямо пропорционально количеству АТФ в нашем теле. Знаете, в данный момент в каждой клетке вашего тело содержится около миллиарда молекул АТФ. Один миллиард молекул в любой клетке вашего тела.

Проходит две минуты.

За это время все молекулы АТФ расходуются и синтезируются снова.

Только представьте! Прямо сейчас в каждой клетке вашего тела существует миллиард молекул энергии. Но через две минуты они преобразуются в другие молекулы (например, АДФ и АМФ), а затем снова превратятся в АТФ. А затем снова преобразуются в АДФ и АМФ. А потом снова в АТФ. Ну, вы поняли. Этот процесс цикличен, и он будет продолжаться вплоть до смерти клетки, которая может случиться по разнообразным причинам.

Давайте вернемся к нашему примеру с крендельками. Как мы уже выяснили, восемь кренделей обеспечат нас 140 000 калориями (или 140 Калориями). А как это связано с АТФ? После того, как мы съели крендельки, наш организм расщепит их примерно на девятнадцать моль АТФ. Затем он их сожжет, и произойдет выделение 140 000 калорий энергии (1 моль АТФ = 7,3 ккал).

Как мы уже выяснили, максимум, на что хватит 140 000 калорий, это на обычную прогулку. Знаете ли, как активная женщина тридцати пяти лет, я должна потреблять примерно 2200 Калорий в день. А как вы думаете, сколько калорий уходит на поддержание моей жизнедеятельности?

Попробуйте угадать.

Что-что? Вы сказали «1300 Калорий»? Или чуть меньше 60 %? Что же, вы были правы. Мне нужно примерно 1300 калорий, чтобы продолжать существовать на этой планете. Это минимальное количество энергии в день, которое необходимо для поддержания работы сердца, легких, мозга, а также температуры тела на уровне 37°C (или 98,6°F). Если я употребляю меньше 1300 Калорий, то мое тело начнет расставлять приоритеты в плане использования энергии. Я стану чувствовать себя слабой – мое тело пытается сказать мне, что пора отдохнуть, подремать, так как оно уже использует отложенную энергию. По сути, за счет этой «отложенной» энергии мое тело может поддерживать жизнедеятельность около трех недель. Затем мои органы начнут отказывать.

Если я трачу 1300 Калорий только на поддержание жизнедеятельности, то оставшиеся 900 калорий могу потратить на утренней тренировке! К примеру, за час плавания (или тяжелой работы в саду) я потрачу 500 Калорий, а за час зумбы – около 330.

Ежедневно люди, ведущие активный образ жизни, сжигают около 40 % потребляемых Калорий. Однако у людей, ведущих малоподвижный образ жизни, к концу дня остаются лишние. Тогда эта энергия сохраняется в теле в виде жиров, которые организм будет использовать в чрезвычайной ситуации. Вы можете подумать, что ваше тело делает что-то полезное, сохраняя дополнительную энергию «на будущее». Но если вы каждый день употребляете около 2200 Калорий (или больше), то у него не будет никаких причин обращаться к запасенной энергии, что в конце концов может привести к ожирению.

Но что на самом деле происходит, когда вы решаете потренироваться утром? Сначала наши тела обращаются к АТФ в наших жировых клетках, и только потом тело начинает искать углеводы или белки. Это связано с тем, что в 1 грамме жира содержится около 9 Калорий энергии; при этом в 1 грамме белков или углеводов содержится только 4. Жир – это лучший источник энергии для тела.

Почему? По правде говоря, жиры хранятся в адипоцитах – клетках, единственная функция которых – это хранение жиров. Ровно как при гликолизе, когда происходит расщепление глюкозы на пируваты, при липолизе происходит расщепление липидов (жиров) на три жирные кислоты и молекулу глицерина. После расщепления жиров жирные кислоты покидают адипоциты и попадают в кровоток. С помощью белка альбумина они переносятся к мышечным клеткам, а затем по капиллярам проникают прямо в мышцу.

Когда мы занимаемся спортом, эти белки появляются на внешней стороны мышечной мембраны еще до того, как жирные кислоты превратятся в АТФ – прямо как молекулы глюкозы превращаются в АТФ. В обоих процессах необходимо участие тепла для разрушения ковалентных связей в молекулах жирных кислот и глюкозы. Затем образуется АТФ. Этот процесс называется аэробным метаболизмом.

Слово аэробный означает «с участием кислорода», и именно поэтому занятия в тренажерном зале называются аэробикой: процесс сжигания жира происходит в присутствии кислорода. Вы когда-нибудь замечали, что в ходе интенсивной тренировки у вас затруднено дыхание? Вы постоянно не можете отдышаться. Мы поглощаем кислород, необходимый для сжигания определенного количества АТФ, в ходе чего получаем достаточно энергии для завершения тренировки.

Учитывая это, совсем неудивительно, что чем усерднее вы занимаетесь, тем больше кислорода вдыхаете. А количество кислорода напрямую связано с количеством сжигаемых жиров и углеводом. Например, 25–60 % вдыхаемого кислорода используется для сжигания жира в вашем кровотоке – жира из еды, которую вы съели. Но если вы начинаете вдыхать 60–70 % кислорода, то ваш организм начинает сжигать жир в мышцах. Если вы вдыхаете более 70 %, то ваш организм впадает в состояние паники и начинает сжигать углеводы.

По правде говоря, когда я училась в школе, меня никогда не интересовала эта часть биологии. Почему наш организм начинает сжигать углеводы вместо жиров, если потребление кислорода превышает 70 %? Тело же не расходует все жиры, чтобы потом переключиться на углеводы. У нас еще остается жир – например, в наших ягодицах – так почему же тело ведет себя так, словно жиров больше нет?

Это связано с расположением жира. Если мы выполняем интенсивную тренировку, то в наши мышцы поступает мало крови, из-за чего им просто не хватает жирных кислот для сжигания энергии. По правде говоря, организм направляет кровь от жировых тканей. Это говорит о том, что жирные кислоты продолжают попадать в капилляры, но они там просто застревают. Из-за того, что жирные кислоты не могут переместиться в мышечные клетки, их нельзя использовать в качестве источника энергии.

Просто представьте, что все ваши жирные кислоты застряли на вашем заднем дворе. Вы видите их в окно, знаете, что они все еще там, но не можете к ним подойти, пока не откроете черный вход. И тогда вы бежите в кладовую, чтобы найти запасной источник энергии – углеводы. И ваше тело будет использовать его, пока снова не получит доступ к жирам.

Что интересно, после окончания тренировки наш организм продолжает сжигать жир. Это называется избыточным посттренировочным потреблением кислорода или EPOC, а ВИИТ (англ. HIIT, высокоинтенсивные интервальные тренировки) печально известны высоким ЕРОС. Почему? Дело в том, что тренировки вроде CrossFit или Nike Training Club сильно разрушают мышечную ткань, из-за чего организму приходится прилагать много усилий для восстановления поврежденных клеток мышц. А чтобы вернуть их в состояние, в котором они находились перед тренировкой, вашему телу необходимо не только восстановить все поврежденные клетки, но и заменить гликоген в мышцах.

Хочу обратить ваше внимание на то, что здесь я довольно предвзята. Раньше я вела занятия по фитнесу, да и сейчас постоянно делаю ВИИТ. Почему я предпочитаю ВИИТ, а не другие тренировки на выносливость, например бег или езду на велосипеде? Дело в том, я перенесла четыре операции на колене. Я больше не могут заниматься бегом или кататься на велосипеде. Тем не менее и бег, и велосипед очень полезны для сердца, поскольку во время тренировки сжигается большая часть жирных кислот. Ваш организм продолжит сжигать жир даже после окончания тренировки, но не так сильно, как после ВИИТ.

Вы когда-нибудь замечали, что со временем любая программа тренировок становится легче? Дело в том, что вы начинаете тренировать свои мышцы. Говоря другими словами, вы учите их работать правильно. Количество адипоцитов, выделяемых у малоподвижных и активных людей, будет одинаковым, однако разница в том, что мышцы активных, тренированных людей будут с легкостью поглощать жирные кислоты и преобразовывать их в энергию. Это связано с тем, что у сильных спортсменов наблюдается большое количество митохондрий на единицу мышц; внутри митохондрий сжигается АТФ. Соответственно, чем больше митохондрий, тем больше сжигается жира.

Время вопроса на миллион долларов: как вы худеете на самом деле? Куда после сжигания девается жир? Если вы были достаточно внимательны, то обратили внимание на факт, что при сжигании АТФ мы выделяем углекислый газ. А это означает, что сжигаемые жиры, белки и углеводы выходят из вашего организма при выдохе.

Можете в это поверить? Вы выдыхаете продукты разложения жира. И худеете. Конечно, когда вы потеете или идете в ванную, жир выходит в виде пота. В остальных случаях вы буквально выдыхаете жир во время (и после) тренировки.

И хотя благодаря тренировкам вы можете получить подтянутое, стройное и здоровое тело, лучшая часть любой тренировки лично для меня – это прилив адреналина. Эпинефрин, обычно называемый адреналином, является гормоном, полученным из аминокислот. Он имеет молекулярную формулу C_9H_13NO_3. В молекуле находится одно шестичленное кольцо и три спиртовые функциональные группы, придающие эпинефрину уникальные свойства. В человеческом теле эпинефрин выделяется надпочечниками, расположенными, как вы уже догадались, над почками.

Любопытно, что при попадании в кровоток эпинефрин может по-разному взаимодействовать с тканями и органами нашего тела. Например, при выбросе адреналина увеличивается частота дыхания и происходит вазодилатация (открытие кровеносных сосудов). Но в других частях тела выброс адреналина может вызвать сужение сосудов или мышечные сокращения.

Благодаря этим свойствам адреналин часто спасает жизни. Например, если у человека на что-то внезапно возникает сильная аллергическая реакция, то можно использовать автоинъектор адреналина – эпипен – для инъекции во внешнюю часть бедра человека в состоянии анафилактического шока. Раствор адреналина сразу же проникает в мышцу и попадает в кровоток. Затем происходит сужение сосудов (повышается артериальное давление) и раскрытие легких, благодаря чему человек снова может дышать.

В тренажерном зале выброс адреналина происходит естественным образом. После интенсивной тренировки наш организм начинает вырабатывать адреналин, а также другой гормон – дофамин. Эта молекула является «наградой» для тела, когда достигается какая-то цель (например, час интенсивных тренировок).

Молекулы дофамина похожи на молекулы адреналина, однако у них есть только две спиртовые группы (OH). Эти молекулы растворимы в воде, так что они с легкостью перемещаются по всему телу, достигая дофаминовых рецепторов. А когда дофамин доходит до рецепторов, вы начинаете чувствовать эйфорию. У некоторых людей (как я) от этого чувства может выработаться зависимость. Зависимость может быть настолько сильной, что у человека формируется поведение, мотивированное вознаграждением: например, так себя ведут спортсмены, усердно тренирующиеся в тренажерном зале, или танцоры, практически живущие в студии. Одной мысли о награде достаточно для того, чтобы вызвать выброс дофамина. Именно поэтому ученые не могут точно сказать, что адреналиновые наркоманы ищут «дозу адреналина». Вместо этого они считают, что некоторые люди склонны идти на большой риск, не заботясь о физической или социальной безопасности, так как их тела требуют вознаграждения в виде дофамина. Мы должны называть таких людей «дофаминовыми наркоманами».

Адреналин – это настолько сильная и мощная молекула, что даже считается, будто он наделяет людей «суперсилой». В 2019 году 16-летний футболист из Огайо услышал крики о помощи. Оказалось, что мужа соседки придавила 3000-фунтовая машина. Парень бросился к месту происшествия и поднял машину, чтобы пострадавшего можно было переместить в другое место. И все из-за выброса адреналина!

Именно поэтому некоторые спортсмены используют препараты, в которых есть адреналин. Это связано с тем, что адреналин повышает выносливость и силу. В некоторых видах спорта сила, выносливость и реакция имеют огромное значение, из-за чего у недобросовестных спортсменов появляется преимущество перед конкурентами.

Но адреналин очень редко находится в нашем теле в одиночку. Вместе с ним организм выделяет другой гормон – кортизол. Эта молекула вызывает повышение артериального давления и сахара в крови, а также помогает преобразовать жир в энергию. По правде говоря, когда происходит выброс кортизола, наши мышцы подготовлены к быстрым и тяжелым движениям, например прыжкам в длину или берпи.

Кортизол – это стероидный гормон с типичной для стероидов структурой из четырех углеродных колец, соединенных между собой. С одной стороны молекулы к кольцам прикрепляется кетон (C=O), а с другой – спиртовые группы (OH). Так как атомы кислорода в молекуле распределены равномерно, кортизол неполярная молекула. Соответственно он будет образовывать дисперсионные взаимодействия с соседними молекулами.

В нашем организме кортизол выполняет несколько разных функций. В зависимости от расположения он влияет на работу той или иной части тела. Например, может повысить концентрацию сахара в крови или повлиять на работу вашего метаболизма. В отличие от адреналина или подобных ему гормонов, стероидные гормоны могут растворяться в жирах (но не растворяются в воде), так как они являются неполярными молекулами.

Кортизол играет главную роль в глюконеогенезе – процессе образования глюкозы из несахаров. Как мы уже говорили ранее, глюкоза – это идеальный источник энергии. Если в вашем организме «нет» сахара, то происходит глюконеогенез, в ходе которого образовывается глюкоза из жиров и белков.

Именно поэтому адреналин и кортизол – два основных гормона, которые выделяются во время стрессовой ситуации. Не важно, делаете ли вы утреннюю зарядку или убегаете от толпы плохих парней, ваше тело будет одинаково реагировать на обе ситуации.

А помните, что я говорила про то, что адреналин растворяется в воде, а кортизол – в жирах? Все из-за того, что они обладают разной полярностью. Адреналин – это полярная молекула, значит, он может перемещаться в теле по кровотоку. А вот кортизол – неполярная молекула, поэтому ему нужно использовать белки, которые переместят его к жировым клеткам.

Когда на своих лекциях я затрагиваю тему гормонов, мои студенты-спортсмены задают вполне логичный вопрос: бегуны чувствуют эйфорию из-за адреналина и кортизола? Я неохотно отвечаю типичным «Да, но…», ведь существует множество разных переменных. Например, если наше тело находится в состоянии стресса, например, при беге по пересеченной местности или игре в футбол, то оно в том или ином количестве выделяет адреналин и кортизол. Но оно также выбрасывает в кровь эндорфины.

Впервые эндорфины были выделены в 1960-х годах; тогда биохимик Чо Хао Ли занимался изучением высушенных гипофизов пятисот разных верблюдов. Он пытался найти особую молекулу, ответственную за метаболизм жира, но его исследования ничего не дали. Зато он открыл полипептид, который позже стал известен как бета-эндорфин. Но тогда Чо Хао Ли не был в нем заинтересован, так что просто поместил его в емкость и положил на хранение.

Спустя пятнадцать лет Ли услышал об исследованиях, проведенных биохимиком Гансом Костерлицем и нейробиологом Джоном Хьюзом. Они открыли пентапептид – молекулу с пятью связанными аминокислотами – под названием энкефалин. Узнав об этом, Ли достал сохраненный бета-эндорфин, чтобы проверить, есть ли в нем энкефалин. Да, энкефалин там был. Тогда Ли решил проверить болеутоляющие свойства энкефалина, сравнив его с героином и оксикодоном. Введя его в мозг, он приятно удивился: в зависимости от места инъекции эффект от энкефалина был от восемнадцати до тридцати раз сильнее эффекта от морфина. К сожалению, выяснилось, что энкефалин вызывал гораздо бо́льшее привыкание, чем морфин, так что Ли отказался от идеи использовать его для создания лекарства.

Со временем ученые начали называть энкефалин и остальные эндогенные нейропептиды общим термином эндорфины. Проще говоря, если молекула обладала обезболивающими свойствами и вызывала кайф, то это вещество можно было называть эндорфином.

Наш организм производит три различных типа эндорфинов: α-эндорфин (альфа), β-эндорфин (бета) и γ-эндорфин (гамма). Молекула α-эндорфина представляет собой цепь из шестнадцати связанных аминокислот. Молекула γ-эндорфина практически ничем не отличается от α-эндорфина, только в конце цепи у него есть дополнительная аминокислота лейцин.

β-Эндорфин представляет собой крупную молекулу, состоящую из тридцати одной аминокислоты. Первые шестнадцать аминокислот идентичны аминокислотам α-и γ-эндорфинов. Следующие пятнадцать аминокислот являются смесью лейцина, фенилалалина, лизина и глутаминовой кислоты. Однако, в отличие от других эндорфинов, β-эндорфин оказывает разные эффекты на человеческий организм. В ходе исследований, например, выяснилось, что β-эндорфин понижает уровень стресса в случае, если человек испытывает голод или боль. Он также активирует «систему вознаграждения» в нашей психике и отвечает на некоторые виды сексуального поведения.

В 1980-х годах ученые нашли связь между β-эндорфином и тем, что позже стало известно как «эйфория бегуна». Они обнаружили, что при интенсивных тренировках наш организм вырабатывает β-эндорфины, которые помогают нам справляться с болью. Если во время тренировки мы испытываем сильную боль, то болевые рецепторы используют особую молекулу – субстанцию Р – для отправки сигнала через спинной мозг в головной. В то же время тело посылает β-эндорфины – медиков на поле боя – для облегчения боли. Эндорфины образуют связь с опиоидными рецепторами в спинном мозге, не давая субстанции Р образовать связь с теми же рецепторами. Эта химическая реакция – один из важнейших шагов по уменьшению боли.

Когда мы выполняем действительно интенсивную тренировку, например бегаем или поднимаем большой вес, то значительная часть эндорфинов будет связана с опиоидными рецепторами в нашем мозгу. Благодаря этой химии мозга у нас появляется чувство эйфории, которое мы испытываем сразу после тренировки. Когда человек переживает особенно напряженный период или момент в жизни, то выброс эндорфинов может привести к сильной эмоциональной разрядке. Просто посмотрите видео, где гимнастка Эли Райсман заканчивает вольные упражнения на Олимпийских играх 2012 года. Когда она завершила последний элемент, то расплакалась, понимая, что стала первой американкой, получившей золотую медаль в вольных упражнениях.

В 2012 году я бы объяснила ее повышенную эмоциональность высокой концентрацией эндорфинов, связанных с опиоидными рецепторами. Но в 2015 году группа немецких ученых выяснила, что эндорфины не могут преодолеть гематоэнцефалический барьер. Несмотря на то, что эндорфины уменьшают чувство боли и тревогу, они не могут вызывать чувство эйфории после интенсивной тренировки. Эти результаты заинтересовали ученых, и в ходе дополнительных экспериментов они выяснили, что это молекула анандамида через кровоток попадает в мозг и вызывает повышение настроения.

А что такое анандамид?

Анандамид – это молекула жирной кислоты, которая связывается с каннабиноидными рецепторами. Это те же самые рецепторы, которые образуют связи с каннабисом, или коноплей (марихуана) при их употреблении. Название происходит от слова ананда, означающего «блаженство» и «счастье». Ее иногда так и называют – «молекула блаженства». Интересный факт: эта молекула была обнаружена совсем недавно, когда проводились исследования марихуаны. Ученые хотели выяснить, как «травка» (тетрагидроканнабинол, или ТГК) действует на человеческий организм; в итоге они узнали практически все о каннабиноидных рецепторах.

Оказывается, каннабис взаимодействует с каннабиноидными рецепторами точно так же, как опиоиды взаимодействуют с опиоидными рецепторами. Но есть одно большое различие. Если связь между опиодидом и опиодными рецепторами чрезвычайно сильная, то связь между каннабисом и каннабиноидными рецепторами очень легко разрушить. Связь конопли с рецепторами разрушается за довольно короткий период времени, так что рецепторы не могут создать зависимость от нее. Подобный характер взаимодействия и является причиной того, почему от «травки» не возникает настолько сильной зависимости, как от героина или оксиконтина.

Однако как это относится к тренировкам? Ну, причина, по которой бегуны чувствуют эйфорию небольшой период времени, – слабые связи между анандамидом и каннабиноидными рецепторами. Эти связи недостаточно прочные, так что они быстро ломаются; в этот момент чувство эйфории начинает уменьшаться. А после того, как оно пропадет вовсе, бегун чувствует кое-что другое: боль.

Я перенесла четыре операции на передней крестообразной связке на колене, так что после упражнений чаще всего я чувствую боль именно в коленях. С годами я перестала выполнять любые упражнения с прыжками, но иногда мои колени болят просто так. В таких случаях я принимаю безрецептурное обезболивающее.

Но что из себя представляет обезболивающее? Как именно их молекулы работают в нашем теле?

Аспирин – или чудо-таблетка, как его называют СМИ – впервые был описан Гиппократом в XIV веке до нашей эры, когда люди варили целебный чай из коры ивы. Давайте перенесемся в 1763 год, когда английский священник Эдвард Стоун опубликовал письмо, в котором сообщалось о новых исследованиях свойств коры ивы. Он высушил ее, а затем раздал пятидесяти разным людям. Те использовали сушеную кору для лечения распространенных заболеваний и даже в форме лосьона.

Тем не менее все «пациенты» Стоуна столкнулись с двумя проблемами: (1) кора ивы имела неприятный вкус и (2) из-за нее у людей появлялись проблемы с желудком. Тем не менее все были готовы продолжать употреблять кору, поскольку она уменьшала головную боль и воспаления. Некоторым пациентам кора даже помогала облегчить симптомы артрита.

Спустя сто лет химик Феликс Хоффман занялся поиском альтернативы салициловой кислоте (C_7H_6O_3), которая и является действующим веществом в ивовой коре. Больной отец ученого испытывал сильную тошноту после лекарств с салициловой кислотой, так что Хоффман решил найти что-то, что сможет помочь старику. С помощью своего начальника, Артура Эйхенгрина, Хоффман начал проводить эксперименты с салициловой кислотой и вскоре открыл эффективный способ получения родственной кислоты, ацетилсалициловой (C_9H_8O_4), позже названной аспирином.

К сожалению, Артур и Феликс столкнулись с трудностями на этапе клинических испытаний нового вещества, так как салициловая кислота ослабляла сердце. Тогда Феликса заняли другими исследованиями, где он использовал свои знания об ацетилсалициловой кислоте для синтеза одного наркотика – диаморфина, также известного как героин. Что удивительно, он довольно легко смог убедить людей попробовать диаморфин.

Поскольку Артур был главным, он не собирался так просто заканчивать исследования ацетилсалициловой кислоты. Химик передал новое обезболивающее врачам, которые начали проводить собственные клинические испытания. Результат не заставил долго ждать: все пациенты (и врачи) были в восторге от того, что появилось лекарство, способное облегчить боль или вылечить простуду, при этом не вызывая проблем с желудком. Новость о чудесном лекарстве быстро распространилась, так что вскоре аспирин Bayer можно было получить без рецепта.

Но чем так хорош аспирин (ацетилсалициловая кислота) и почему он лучше коры ивы (салициловая кислота)? Сначала химики поняли, что если в салициловой кислоте заменить одну спиртовую группу (OH) на сложноэфирную группу (OCOCH_3), то можно добиться приятного вкуса аспирина и уменьшить проблемы с желудком. Они также выяснили, что активность аспирина равна активности салициловой кислоты. Но как такое возможно? Ведь крупной молекуле намного сложнее добраться до нужного места из-за ее размеров.

Ученые быстро установили, что на самом деле Артур и Феликс не открыли новое лекарство. Да, принимать аспирин было намного проще, но в желудке он снова распадался на салициловую кислоту. Проще говоря, аспирин просто уменьшил количество побочных эффектов, возникающих при употреблении коры ивы.

Аспирин идеально подходит для приема после спортивной травмы, поскольку помогает уменьшить боль от воспаления или отека. Попадая внутрь организма, салициловая кислота блокирует одну важную химическую реакцию, из-за чего фермент (циклооксигеназа) не может производить две молекулы (простагландин и тромбоксан). Простагландин вызывает вазодилатацию (кровеносные сосуды открываются), после чего лейкоциты направляются к месту повреждения. Другими словами, если вы подвернете лодыжку и сразу же выпьете аспирин, ваша нога не распухнет.

Этот процесс также является частью механизма действия нестероидных противовоспалительных препаратов, или НПВП. Например, ибупрофен – это НПВП, он используется для лечения воспалений, высокой температуры, а также для уменьшения боли. Если сравнивать его с аспирином, то ибупрофен считается «молодым» препаратом. Его открыли в 1960-х годах, и тогда было обнаружено, что он может подавлять активность циклооксигеназа. Ибупрофен имеет молекулярную формулу C_13H_18O_2 с одним шестичленным кольцом между двумя углеводородными цепочками. Возможно, вы уже знаете, что ибупрофен отлично справляется с высокой температурой, а также уменьшает боль, вызванную камнями в почках.

Ацетаминофен – это дешевый препарат; обычно его называют тайленолом. Многим он известен как парацетамол – лекарство, способное облегчить симптомы простуды. Парацетамол имеет молекулярную формулу C_8H_9NO_2 с шестичленным кольцом.

Ученые до сих пор не выяснили, как именно работает ацетаминофен. В отличие от ибупрофена и аспирина (а также остальных НПВП), парацетамол не блокирует фермент циклооксигеназа. Кажется, что этот препарат действует совсем иначе, не так, как другие обезболивающие. Считается, что в процессе участвует фермент, но ученые до сих пор не уверены в работе парацетамола на 100 %. Однако кое-что они знают наверняка: так как парацетамол не блокирует фермент, он не работает так же хорошо, как другие противовоспалительные средства. Сейчас химики полагают, что парацетамол может блокировать фермент в мозге, и именно это является причиной, по которой этот препарат используется для облегчения боли и лечения простуды.

Каждая молекула по-своему влияет на организм, так что разные обезболивающие будут действовать по-разному при одной и той же травме. Лично я очень часто использую алив (напроксен), еще одно НПВП. Так как я не врач, то не могу рекомендовать вам это обезболивающее, однако предупреждаю: пожалуйста, обращайте внимание на любые негативные побочные эффекты, например, повреждение органов. Мне вот нельзя злоупотреблять аливом, поскольку он вызывает почечную недостаточность.

Но как бы сильно у меня ни болели колени, я всегда буду заниматься спортом (я на это надеюсь). Я люблю начинать свой день в беговых кроссовках и в милой спортивной форме. И хотя я не должна этого делать, но я использую занятия спортом как оправдание моей зависимости от сладкого.

Хорошая тренировка утром пробуждает меня и готовит к трудному дню. Но перед тем, как выйти из дома и встретиться с другими людьми, мне нужно несколько минут (или часов) на то, чтобы привести себя в порядок. В следующей главе я расскажу вам о том, что происходит в ванной. Что общего между шампунем, феном и яркокрасной помадой, которую вы носите на работе? Правильно, это все – химия!

7. Be·YOU·tiful (Вы прекрасны). Приводим себя в порядок

После интенсивной тренировки я иду в душ, где начинается основной процесс подготовки. Долгое время это была моя самая нелюбимая часть дня; во времена, когда я училась в аспирантуре, у меня никогда не хватало на это времени. Я просто собирала влажные волосы в хвост, надевала чистую футболку и бежала на учебу. Теперь же я могу позволить себе заниматься утренней рутиной, и у меня есть целая коллекция косметики, которая просто не помещается в ванной. Неудивительно, что везде, от средств по уходу за волосами до помады и духов, есть химия. И знаете, в правильных пропорциях и сочетаниях она может дать волшебные результаты.

Хотите верьте, хотите нет, но даже в обычном спокойном душе есть необычная наука. Когда горячая вода попадает на ваше тело, то молекулы воды образуют водородные связи с другими молекулами воды на вашей коже и волосах; образование связи происходит еще до того, как вода стечет с вашего тела на пол. Иногда адгезионные свойства воды настолько сильны, что вода из душа притягивает к себе молекулы воды из эпидермиса, образуя на нашей коже капли воды. Если это происходит, то значит, что притяжение между молекулами воды сильнее притяжения между молекулами воды и молекулами солей на вашей коже.

Изучать шампуни и кондиционеры для волос еще интереснее. В большинстве из них содержатся молекулы, о которых вы, я уверена, никогда не слышали (и о них не пишут на обратной стороне упаковки): четвертичные соли и катионные поверхностно-активные вещества. Не бойтесь, они не так сложны, как может показаться; однако их влияние на волосы трудно переоценить. Но перед тем, как мы начнем обсуждать эти уникальные соединения, давайте разберемся с основами.

Основной белок наших волос – альфа-кератин. Возможно, вы слышали, что кератин нужен для роста здоровых ногтей, он применяется в средствах по уходу за кожей, а также содержится в рогах и перьях животных. В салоне вам могут предложить лечение волос кератином, чтобы на время выпрямить волнистые или вьющиеся пряди; кератин также может быть добавкой в шампуне или кондиционере.

Любой кератин представляет собой полипептидную цепь аминокислот. Порядок, расположение и тип аминокислот могут отличаться, однако в общем белке (альфа-кератин) обязательно будет содержаться хотя бы одна молекула цистеина. Цистеин представляет собой небольшую аминокислоту, которая иногда действует как фермент и может запускать биохимические реакции. Почему? Дело в том, что когда две полипептидные цепи (или кератиновые цепи) закручиваются вместе, образуется спираль. Тогда атом серы в молекуле цистеина из кератина А образует ковалентную связь с атомом серы в молекуле цистеина из кератина В. В результате реакции образуется новая молекула – цистин. И хотя названия двух молекул практически одинаковые, цистин – это крупная молекула, образованная из комбинации двух молекул.

Данный процесс происходит снова и снова, создавая ступенчатую структуру (подобную ДНК); каждая ступень представляет собой связь между атомами серы аминокислот цистеина. Эта химическая реакция очень важна, поскольку в результате образуется молекула цистина (ступень), где и случается вся химия!

Каждый раз, когда вы моете, сушите или выпрямляете волосы, вы работаете со своими молекулами цистина. Мыться мы начинаем с мытья головы, так что я предлагаю сначала рассмотреть этот процесс. Шампунь удаляет с кожи жир и масла, однако это достаточно щадящее средство, которое не вызывает покалывание или жжение. Ученые подобрали химические вещества, которые могут образовывать связи с поврежденными молекулами в ваших волосах; при этом такие вещества мягко воздействуют на ваш волосяной покров, кроме того, их можно легко смыть, а еще они не наносят вреда экологии.

В каждом бренде продуктов для душа предлагается уникальная комбинация молекул, которые успешно удаляют жир, бактерии и другие побочные продукты из наших волос. Эти молекулы могут быть вязкой жидкостью (чрезвычайно густой сольвент гликоль), лимонной кислотой (содержится в лимонах) или солью (хлорид аммония). Но я думаю, в контексте шампуней и кондиционеров чаще всего вы слышите о парабенах, сульфатах и силиконах. Трудно не услышать, когда все только о них и говорят.

Начнем с парабенов. Они используются для блокировки роста бактерий в косметических продуктах. Самые распространенные парабены – это метилпарабен, этилпарабен, пропилпарабен и бутилпарабен. Все они были получены из пара-гидроксибензойной кислоты. На языке химии «мет» обозначает «один», «эт» – «два», «проп» – «три», «бут» – «четыре». Эти приставки используются для обозначения количества атомов углерода в молекуле парабена.

Метилпарабен – это противогрибковый консервант, использующийся не только в шампунях, но и во многих продуктах питания (противогрибковый означает, что бактерии и связи внутри грибков угнетаются, а связи между ними – разрушаются). Если вы живете в Европе, то метилпарабен обозначается как Е218. Этилпарабен (Е214) и пропилпарабен (Е216) тоже добавляются в шампуни и парабены, но в антибактериальных целях их используют не так часто, как бутилпарабен.

Бутилпарабен представляет собой цепочку из четырех атомов углерода, соединенную с основным атомом кислорода в молекуле парабена. Из-за длинной углеводородной цепочки бутилпарабен имеет физические свойства, отличные от других парабенов. Он используется в более чем 20 тысячах косметических средств, однако многие удивляются тому, что он также содержится в обычных лекарствах, например ибупрофене.

К сожалению, несмотря на то, что парабены предотвращают рост бактерий в шампунях и кондиционерах, они негативно влияют на организм человека. В 2004 году было опубликовано исследование, в котором говорилось, что парабены были обнаружены в опухолях восемнадцати женщин из двадцати с раком молочной железы. На тот момент не проводились другие подобные исследования, поэтому не было никакой дополнительной информации. Значит ли это, что парабены увеличивают шанс заболеть раком молочной железы? Не всегда. Когда женщины массово перестали пользоваться продуктами с парабенами, компании начали производить косметику без этих веществ.

Многие бренды, производящие продукты без содержания парабенов, используют безвоздушные емкости для дозировки. Все просто: сначала бутылка наполняется шампунем или кондиционером, потом из нее выкачивают весь воздух и плотно закрывают. Как вы понимаете, сделать такое в душе практически невозможно. Тем не менее это очень важный шаг, поскольку недостаток кислорода замедляет рост бактерий и грибков.

Еще одна молекула, которой я стараюсь избегать, – силикон. И нет, она не может вызвать рак; однако эта молекула ответственна за то, что среди парикмахеров называется наслоением (придает волосам блеск и гладкость). К сожалению, я слишком поздно поняла, что мои волосы в средней школе были сальными и плоскими из-за силиконов в шампуне. Да и мыть голову каждый день одним и тем же шампунем – не лучшее решение.

Полисилоксан, обычно называемый силиконом, – большой полимер, который обязательно есть в вашем душе или в ванной – в герметике. Поскольку силикон – это неполярная молекула, он обладает хорошей водостойкостью и жаропрочностью. Силикон, содержащийся в шампунях, покрывает каждый волосяной фолликул пленкой и защищает волосы от вредного воздействия окружающей среды. Силикон также заполняет пустоты в волосе, уменьшая их пушистость и делая гладкими.

Но, как я уже говорила, у использования силикона есть один негативный эффект: он может откладываться в вашем организме. Так как силикон – это тяжелое вещество, то, когда он цепляется за волос, утяжеляет и его. Со временем разные молекулы силикона соединяются друг с другом, придавая волосам жирный вид.

Еще один ингредиент шампуня, который постоянно подвергается критике, – это поверхностно-активное вещество (ПАВ) – сульфат. Лаурилсульфат натрия (сокр. ЛСН, SLS или SDS) представляет собой отличный пенообразователь (а еще это хорошее чистящее средство), так что его часто добавляют в шампуни, чтобы сделать их сильно пенистыми. К сожалению, сульфаты образуют сильные связи с маслами в ваших волосах; высокая концентрация сульфата может «вымыть» все масла, из-за чего ваши волосы станут сухими. Если у вас волнистые или вьющиеся волосы и ваш парикмахер сказал ни в коем случае не использовать шампунь с сульфатами, то теперь вы знаете почему.

По правде говоря, состав шампуня должен быть простым. Мой любимый почти полностью состоит из воды, глицерина и ароматических молекул. Благодаря глицерину шампунь становится густым, вязким, а ароматические молекулы придают ему приятный запах. Есть несколько исследований, в которых говорится, что ароматные молекулы могут высушивать волосы, но мне просто нравятся шампуни с цветочным запахом. Однако, если говорить честно, в вашем шампуне должно содержаться что-то, что будет очищать кожу головы и волосы от жира. Именно поэтому даже в самых дорогих и хороших шампунях есть несколько капель сульфата (или любого другого поверхностно-активного вещества). Если вы в поисках нового шампуня, то советую вам обратить внимание на марку Davines. В их продуктах не содержатся парабены или сульфаты, а сам бренд придерживается философии экологической ответственности и занимается благотворительностью.

Конечно, мы можем нивелировать нанесенный шампунем ущерб с помощью кондиционера для волос. Реклама внушает нам, что кондиционеры помогают смягчить или увлажнить волосы. Не совсем правда, но смягчение и увлажнение являются дополнительными эффектами от использования кондиционера. Однако его главная задача – минимизировать трение от соприкосновения волос друг с другом при расчесывании.

Но как это работает? В большинстве кондиционеров есть положительно заряженные ПАВ, называемые катионными ПАВ (КПАВ). Они представляют собой большие молекулы, содержащие в себе четвертичные аммониевые соединения (ЧАС). Те представляют собой ромб с атомом азота в центре, связанным с четырьмя углеводородами. ЧАС – прекрасный пример тетраэдрической молекулы, которые мы обсуждали в первой части книги.

Если мы заглянем в периодическую таблицу, то увидим, что азоту хочется быть связанным с тремя атомами. Но при определенных обстоятельствах он может связаться и с четырьмя, как в ЧАС, придавая молекуле положительный заряд (и превращая ее в катион).

Когда ЧАС связываются с волосом, они образуют гидрофобное покрытие. «Гидрофобный» означает «боязнь воды», и благодаря этому мы может наблюдать три удивительных эффекта от использования кондиционера. Во-первых, волосы расчесывать становится легче, потому что трение между прядями уменьшилось. Каждый волос покрыт ЧАС, так что они не могут образовать с водой водородную связь. Во-вторых, волосы теперь мягче и толще, поскольку мы нанесли на них защитный слой. В-третьих, благодаря электростатическому взаимодействию волоса и защитного слоя у вас больше не будут появляться «дьявольские рожки». Именно так моя сестра называла разлетающиеся в разные стороны волосы до того, как узнала о статическом заряде – заряде, который уравновешивается новыми катионными ионами.

Если использовать ЧАС правильно, то можно полностью восстановить поврежденные волосы. Вот в чем дело: когда ваши волосы повреждаются из-за воздействия окружающей среди или химической обработки, то на их кончиках начинает накапливаться отрицательный заряд. ЧАС в кондиционере притягиваются к наиболее поврежденным участкам волоса, образуя сильное электростатическое притяжение с отрицательно заряженными кончиками волос. В ходе этого ионного взаимодействия кончики восстанавливаются, они с меньшей вероятностью будут ломаться, а сами волосы приобретут блестящий и гладкий вид.

Самое главное, что катионные ПАВ очень легко изготовить в лаборатории, они недорогие и их много. К сожалению, иногда компании называют ПАВ катионными полимерами, что не совсем правильно; не очень хочется использовать катионные полимеры на волосах!

Почему? Дело в том, что катионные полимеры (они гораздо крупнее катионных ЧАС) обладают высокой плотностью заряда: это значит, что в относительно небольшом пространстве находится большой заряд. Молекулы с высокой плотностью заряда накапливаются в организме (как и силиконы). Катионные полимеры притягиваются к волосам и крепко цепляются за них. Из-за этого может возникнуть ощущение «тяжелых» и жирных волос. Именно поэтому нам следует избегать шампуней с катионными полимерами в составе.

Единственная разница между обычным кондиционером и глубоким заключается в том, что у глубоких кондиционеров густая текстура и сильное действие на волосы. К тому же глубокий кондиционер нужно оставлять на кончиках волос в течение долгого времени. Это нужно для того, чтобы молекулы могли завершить все химические реакции; так наши волосы станут здоровее и мягче. У глубоких кондиционеров потрясающая эффективность.

И да, это не магия, а наука!

Когда я глубоко кондиционирую волосы, я параллельно использую ароматный гель для душа. Они очень похож на шампуни, но обычно в них содержится более высокая концентрация ПАВ и ароматизаторов. Мой любимый гель – вода с SLS (для пенообразования и очищения тела), глицерином (чтобы у геля была густая текстура) и большим количеством ароматных молекул (чтобы пахнуть солнцем). Любимый гель для душа моего мужа имеет аналогичный состав, но так как его гель для душа намного дешевле моего, он жидкий и практически без аромата.

Если вы используете крем для бритья, то, скорее всего, это комбинация глицерина, SLS (сульфаты!) и воды. Основным отличием от шампуня является то, что крем для бритья – это пена (газ в жидкости). Когда вы нажимаете на баллон, происходит следующее: газообразные молекулы в верхней части баллона вдавливаются в смесь воды, SLS и глицерина. Из-за этого пена проталкивается вверх, через трубку, и выходит из баллончика.

Точно так же, как солнцезащитный крем защищает нашу кожу от солнца, крем для бритья защищает ее от лезвий бритвы. Пенящееся вещество образует защитный слой между кожей и лезвием, оберегая кожу от нежелательных последствий: раздражения и вросших волосков. Все очень просто; вы хотите иметь гладкие ноги? Используйте крем для бритья!

Первое, что я делаю, выходя из душа, – наношу на волосы термозащитное средство. По правде говоря, это одно из лучших изобретений XXI века. «Термо» обозначает тепло, и именно поэтому данные продукты называются термозащитными средствами. Во время сушки феном и укладки наши волосы подвергаются сильнейшему стрессу. Чтобы их защитить, мы покрываем голову тонким материалом – точно так же, как мы пользуемся прихватками, чтобы не обжечься. Термозащитные средства представляют собой большие молекулы, прилипающие к нашему волосу; они обладают устойчивостью к высоким температурам.

После того, как я нанесла на волосы термозащитное средство, я использую фен. Так как мокрые волосы «мокрые» из-за молекул воды на них, вода может естественным образом испаряться при температуре ниже 100°C (212°F). Думаю, это неудивительно для тех людей, кто сушит волосы «естественным» образом (когда те высыхают сами по себе). С научной точки зрения дать волосам высохнуть самим – это так же естественно, как и испарение воды из стакана.

Интересный факт: когда влажные волосы подвергаются воздействию тепла, они могут реагировать разными способами, поскольку химическая активность зависит от температуры тепла. Кожа головы может повредиться при температуре ниже 110°C (230°F), и это повреждение похоже на небольшой ожог; такой ожог, как если бы вы поднесли руки слишком близко к сушилке. Но обычно кожа головы может восстановиться самостоятельно.

Непоправимое тепловое повреждение (или химическое повреждение) происходит при температуре от 176°C (349°F). Сильный жар вызывает разрушение кератиновой цепочки; просто поищите видео #hairfail в интернете и посмотрите сами. Бедные люди сожгли себе волосы, потому что они или (1) не использовали термозащиту, или (2) воздействовали горячим воздухом на волосы слишком долго.

В общем-то (но на самом деле нет, я объясню это позже) оптимальная температура для сушки волос составляет примерно 135°C (или 275°F). Эта «идеальная» температура позволяет ускорить процесс испарения влаги, однако не настолько высока, чтобы вызвать химическое повреждение.

Когда я впервые об этом узнала, то предположила, что большинство фенов выдают поток воздуха с температурой от 100 до 135°C (212–275°F). Но, подумав еще пару секунд, я поняла, насколько это опасно. Вода закипает при температуре 100°C (212°F), и только от одного пара можно получить неприятный ожог. Мой муж совсем недавно обжег паром два пальца, и волдыри были настолько огромными, что я даже собиралась отвезти его в больницу.

Представьте, какую боль вы бы испытывали, если бы решили попарить свое лицо при температуре 135°C (275°F). На наших руках есть мозоли, защищающие нас от случайного взаимодействия с высокими температурами; однако кожа головы ничем не защищена. По правде говоря, она очень чувствительная, так что тепло в 135°C (275°F) казалось бы просто невыносимым.

Большинство фенов для сушки и укладки волос могут выдавать воздух с температурой от 40 до 50°C (104–122°F). И это ничто по сравнению с техническим феном, который похож на фен, но выдает струю воздуха с температурой 600°C (1100°F). Вы никогда не захотите использовать технический фен для сушки волос. Еще во времена, когда я училась в аспирантуре, я попала под сильный дождь. Тогда ко мне пришла замечательная идея высушить мокрую одежду техническим феном. Горячий воздух был таким приятным, но ровно до того момента, как я поняла, что он начал прожигать ткань моей рубашки.

Итак, если фены выдают поток воздуха с небольшой температурой, то как именно испаряется вода из наших волос? Чтобы ответить на этот вопрос, мне нужно рассказать вам о том, что же такое температура на самом деле. Когда ученые используют термин «температура», мы указываем среднюю кинетическую энергию системы. В химии кинетическая энергия обозначает движение молекул, и она прямо пропорциональна их скорости (значению того, насколько быстро они двигаются).

Если мы взглянем на какой-нибудь образец воды, то нам будет казаться, что все молекулы движутся с одинаковыми скоростями. Однако они двигаются по-разному. Это происходит из-за ряда факторов; например, молекулы постоянно бьются друг об друга и стенки контейнера. Когда молекулы воды набирают необходимую скорость, они могут стать молекулами газа.

Просто представьте детей в спортзале. Если вы дадите им немного свободного времени, то вскоре они устроят полный хаос: будут беспорядочно бегать по всему помещению, толкая друг друга или отталкиваясь друг от друга. Одна часть детей бегает, а другая просто стоит на месте. Рассматривая эту систему, будет неправильно сказать, что бегают все дети. Вместо этого мы можем рассчитать среднюю скорость детей, которая и будет температурой спортзала.

Но как это относится к нашим фенам? Что же, давайте посмотрим на детей, бегающих по залу. Они двигаются быстрее других детей и, вероятно, хотят выбраться из душного зала, чтобы побегать на свежем воздухе. Когда появится возможность (например, откроются двери спортзала), дети сразу побегут на выход. Бегавшие до этого дети побегут к дверям быстрее всех, и уже за ними потянутся остальные (если начнут двигаться быстрее).

То же самое происходит с молекулами воды на мокрых волосах. Фен придает им немного дополнительной энергии, чтобы они начали вибрировать. Когда молекулы воды накапливают достаточное количество энергии, то открепляются от волоса и уходят в атмосферу. Когда это делают все молекулы, наши волосы становятся сухими.

У вас может возникнуть вопрос: если фен не выдает очень горячий воздух, то зачем перед сушкой мы использует термозащитное средство? Дело в том, что нам не нужно сушить волосы! Волосам требуется защита от горячих инструментов, например, утюжка для выпрямления волос или щипцов для завивки, которые очень сильно нагреваются. Так почему же первое средство, которое мы наносим после душа, это термозащита? Потому что равномерно распределить термозащитное средство намного проще по влажным волосам.

В отличие от фена, инструменты для завивки и выпрямления волос работают на высоких температурах, из-за чего могут сильно повредить ваши волосы. Качественное термозащитное средство позволяет какое-то время воздействовать на волосы высокими температурами, при этом не нанося им никакого вреда. Это можно сравнить с криогенными перчатками, с помощью которых я могу выдержать температуру замерзания жидкого азота – но всего несколько секунд.

При правильном использовании горячий инструмент даст достаточно тепла, чтобы заставить молекулы в кератине двигаться, но недостаточно тепла, чтобы вызвать какие-либо нежелательные химические изменения. Другими словами, воздействие тепла на молекулы в течение короткого времени изменяет взаимодействие между молекулами, а не связи внутри них.

В выпрямленных или накрученных волосах изменились водородные связи (межмолекулярные взаимодействия) между молекулами цистина. Например, изначально атом водорода в цистине А притягивался к атому азота в цистине В, однако теперь он притягивается к атому азота в цистине С. Перегруппировка молекул может показаться чем-то неважным, однако это можно сравнить тем, что вы строите замок, но внезапно решаете заменить все красные детали Lego на синие. Детали имеют одинаковую структуру и прочность, но теперь ваш форт выглядит иначе. Новые связи, образующиеся в наших волосах, позволяют нам завивать прямые волосы или выпрямлять кучерявые. Направление движения инструмента и тепло от него перемещают молекулы в нужное положение.

Для образования новых связей между молекулами необходимо тепло. Однако самое сложное – по крайней мере, для меня – дождаться, когда волосы остынут. Проходит процесс перестройки, в ходе которого новые водородные связи занимают новые места. Если вы будете делать что-то со своими волосами до того, как они полностью остынут, то вы сломаете водородные связи и вернете волосы в прежнее состояние. Но так как эти связи временные, когда вы пойдете в душ, то новые связи разрушатся.

Многие люди предпочитают использовать средства для укладки волос, например лак или мусс. Основное различие между лаком и муссом в том, что лак – это жидкость на основе этанола, а мусс – это пена. В остальном они очень похожи! В составе обоих продуктов есть тонкий полимер, из-за которого пряди волос прилипают друг к другу. Я всегда представляю, что между прядями моих волос образуется микроскопическая паутина. Когда волосы находятся близко друг к другу, они путаются; в конце концов, наша прическа фиксируется на определенный период времени.

На рынке представлены разные лаки для волос, и их эффективность напрямую зависит от размера основного полимера. Логично, что крупные полимеры имеют сильную фиксацию, так как в них содержится большое количество атомов, способных образовать тонкую пленку с соседними атомами. Однако крупные молекулы должны распыляться в крупных каплях. И это плохо по двум причинам: (1) им нужно больше времени для высыхания и (2) волосы становятся жесткими и липкими.

Дешевые продукты хорошо связываются с волосами и обеспечивают сильную фиксацию, однако они могут способствовать накоплению веществ. Полимеры меньшего размера ощущаются более естественно, не вызывают чувства липкости, однако фиксация намного слабее. Именно поэтому в лаках используются небольшие полимеры, обеспечивающие мягкую фиксацию.

В большинстве лаков для волос используется смесь этанола и воды. Вода нужна для поддержания полимера в жидкости. В противном случае нам пришлось бы наносить на волосы плотное резиноподобное вещество (ужасно!). Этанол нужен потому, что он обладает высоким давлением паров, из-за чего скорость испарения лака после его нанесения увеличивается.

По причине того, что вода разрушает образованные водородные связи, ученым пришлось придумать другой способ доставки полимера в наши волосы. Каждое средство для укладки волос имеет уникальное соотношение полимеров, воды и этанола. У меня тонкие волосы, именно поэтому я использую лак для волос мягкой фиксации, завиваю волосы утюжком, а затем применяю лак сильной фиксации.

Приняв душ, высушив феном волосы и уложив их лаком, я приступаю к своей любимой части: макияжу. Я начинаю с того, что никак нельзя пропускать. Хороший праймер как двусторонний скотч: он образует межмолекулярное взаимодействие между вашей кожей и нанесенным макияжем, а также позволяет зафиксировать косметику. После нанесения праймера нужно подождать пару минут, чтобы он впитался в кожу. Таким образом мы не удалим праймер в ходе следующего этапа – нанесения тонального крема.

В зависимости от типа вашей кожи вы можете использовать разные тональные кремы: жидкий крем, крем-пудра, крем с тонирующим эффектом и мусс (и это я перечислила лишь часть из них!). Я нашла тонирующее увлажняющее средство, которое не только увлажняет кожу, но и выравнивает ее тон. Сухая кожа может доставлять дискомфорт; лицо постоянно чешется, а иногда начинает шелушиться. Быть может, вы выиграли генетическую лотерею и ваша кожа может удерживать много воды, однако я не могу жить без увлажняющего крема!

Но что такое увлажняющий крем? Согласно определению, увлажняющим кремом может быть любой продукт, улучшающий внешнее состояние вашей кожи. Главная целью увлажняющего крема – бороться с сухостью кожи или фотостарением (или и с тем и другим одновременно).

Большинство дерматологов сходятся во мнении, что сухая кожа может быть результатом четырех основных проблем. Во-первых, в ее наружном слое, роговом слое эпидермиса, недостаточно воды. Задача рогового слоя – защищать организм от бактериального вторжения; лучше всего эту функцию выполняет увлажненная кожа. Если в клетках кожи содержится достаточно количество воды, то они выглядят «раздутыми» и равномерно отражают солнечный свет; создается эффект идеальной модельной кожи. Но если клетки теряют воду, то они сморщиваются, придавая коже некрасивую, морщинистую текстуру.

Еще одна причина – высокая скорость обновления эпидермиса. Это случается всякий раз, когда клетки заменяют друг друга. Если данный процесс происходит слишком быстро, то в клетках кожи может быть разное содержание воды. Есть также свидетельства того, что сухость кожи связана с нарушением синтеза липидов. Липиды эпидермиса содержат 65 % триглицеридов, диглицеридов и свободных жирных кислот, а также 35 % холестерина (по массе). Любое отклонение от нормы негативно скажется на выработке себума кожи (кожного сала). Странный способ сказать, что малое количество масел приводит к сухости кожи лица.

Последняя причина самая очевидная. Каждый раз, когда вы повреждаете кожу, например царапаете ее, вы разрушаете клетки кожи и нарушаете кожный барьер. Если вы не будете осторожны, то в ранку может попасть инфекция. Во время восстановления клеток кожа, как правило, сухая и раздраженная. Любая из этих проблем может заставить человека воспользоваться увлажняющим кремом.

Раньше я жила в Мичигане, так что каждую зиму я боролась с сухостью кожи. Тогда меня спасал тонер Jergens Ultra Healing без запаха. В нем содержится вазелин, представляющий собой гель из нескольких углеводородов. Эти неполярные молекулы впитываются в наружный слой кожи и отталкивают все полярные молекулы, приближающиеся к ним. То есть любые полярные молекулы воды, которые захотят покинуть вашу кожу, будут «возвращены», так что кожа будет выглядеть увлажненной и напитанной.

Но какой увлажняющий крем подойдет именно для вашей кожи? По правде говоря, это зависит от личных предпочтений. К примеру, я просто ненавижу плотные тональники, оставляющие липкое или жирное ощущение, однако некоторые мои друзья предпочитают именно их. Если вы будете регулярно пользоваться качественным продуктом, то со временем заметите изменения в текстуре кожи. Правильно подобранный увлажняющий крем образует защитный слой, препятствующий потере воды клетками кожи.

Хорошее увлажнение кожи также помогает бороться с фотостарением (ранним старением кожи, вызванным солнцем). Когда наша кожа увлажнена, мы можем заметить, что морщины разглаживаются, а сама ее поверхность становится упругой и эластичной. Что еще важнее, так мы можем оценить эти изменения, проверив кожу на эластичность.

Вы когда-нибудь рассматривали клетки кожи? Например, на уроке биологии. Удивительно, но просто исследуя удаленные клетки, вы можете узнать много нового о скорости обновления эпидермиса. Если скотч легко от вас отстает, то у вас нормальный тип кожи. Если скотч сложно к вам прикрепить, то у вас жирная кожа. А если на скотче остается МНОГО клеток (поверьте, вы сразу это поймете), то вам нужно озадачиться поиском новых средств по уходу за собой. Когда я провожу подобный эксперимент на своем теле, то кожа на ногах у меня сухая, а на лбу – жирная (именно поэтому я не использую средства с вазелином на лице).

А теперь давайте перейдем к самому интересному: румяна, бронзер и тени для век работают точно так же, как и тональный крем. Они образуют межмолекулярные взаимодействия с праймером (или тональным кремом), фиксируясь на лице. За оттенок наших румян и бронзеров ответственны определенные молекулы, например, кармин используется для красных оттенков, тартразин – для желтых, оксид железа – для коричневых.

Древние египтяне тоже использовали кармин, полученный из раздавленных жуков, чтобы придать губам красивый красный оттенок. К счастью, в наше время в помадах используются красители, а также такие молекулы, как оксид-хлорид висмута (для придания белого вида) и диоксид титана (осветляет красные оттенки до розового).

Многие не осознают, что процесс нанесения помады – это целая наука. Давайте рассмотрим классическую ее форму. Когда вы открываете колпачок, то видите скошенный край помады поверх прочного тюбика с воском. Большинство производителей используют карнаубский воск (или пальмовый воск), чтобы помада могла держать форму; иначе она просто расползалась бы, если бы вы попытались ею накраситься.

Кроме того, чтобы пигмент перешел с помады на губы, нужен вазелин (или оливковое масло). Это одна из причин, почему обычно помады такие мягкие. Подобная текстура получается из силиконового масла, которое используется для передачи и фиксации пигмента на губах. Таким образом мы можем получить стойкую помаду, которую можно носить целый день.

Интересный факт: тушь, по сути, является разновидностью помады, но только для ресниц. Как и губная помада, она была создана египтянами, и содержит в себе оксид титана для придания цвета (для не слишком интенсивных оттенков) и карнаубский воск для укрепления ресниц. Чтобы тушь получилась водостойкой, в нее добавляют большую неполярную молекулу – додекан, которая отталкивает полярные молекулы воды. Если вы пользуетесь обычной тушью, то вода будет растворять ее и оставлять разводы.

Главная разница между тушью для ресниц и помадой заключается в том, что в состав туши может входить нейлон или вискоза. Нейлон – это большой полимер, использующийся в туши с удлиняющим эффектом. Существует два типа полимеров: синтетические и природные. Природные полимеры – это те, которые можно обнаружить в природе, например хлопок (они даже присутствуют в нашей ДНК). Синтетические полимеры, например нейлон, вискоза или полиэстер, синтезируются в лаборатории.

Синтетические молекулы (иногда их называют пластмассами) состоят из цепочки маленьких повторяющихся рисунков; просто представьте себе цепочку из скрепок. Каждая скрепка является уникальной и обособленной, однако все они соединены друг с другом кончиками. Молекулы удерживаются вместе благодаря ковалентным связями как внутри каждой молекулы, так и между повторяющими участками молекул.

Цепочки из молекул образуют большие (и тонкие) волокна, которые укладываются друг на друга. В месте наложения молекулы они образуют между собой дисперсионные силы, и когда цепочки накладываются друг на друга слишком часто, создается набор полимеров. Если правильные молекулы собираются в правильном порядке, как, например, в нейлоне, то полученный полимер будет прочным и эластичным. Но если на ваших колготках (между прочим, сделанных из нейлона) когда-нибудь появлялась дырка, то вы знаете, что полимеры могут быть очень слабыми. Прочность волокна зависит от связей между молекулами и межмолекулярных взаимодействий, поддерживающих эти связи.

Полиамид – это полимер, используемый для синтезирования нейлона, он состоит из повторяющихся молекул, связанных друг с другом интересным способом. Этот способ называется амидным соединением. Подобные соединения очень специфичны: они возникают в том случае, если атом углерода на одной стороне молекулы А образует ковалентную связь с атомом азота на противоположной стороне молекулы В. Дело в том, что молекулы А и В являются одинаковыми, поэтому такое соединение повторяется еще несколько раз; создается ряд молекул, соединенных сверхсильными ковалентными углеродно-азотными связями.

Полиамиды под другим названием

Вы когда-нибудь слышали об американском химике Сетфани Кволек? Она проработала более сорока лет химиком-органиком в DuPont и умерла в 2014 году. Еще в 1964 году она занялась поиском новой молекулы, которой можно было бы заменить сталь в гоночных шинах, и случайно получила странный раствор.

Кволек настолько заинтересовалась наполовину жидким, наполовину твердым веществом, что попросила коллегу продавить вещество через фильеру – это часть оборудования, с помощью которого раствор можно превратить в волокно (если эксперимент пройдет успешно, то получится игольчатое волокно, напоминающее стекловату). К счастью, эксперимент Кволек прошел успешно. Она была так довольна полученным результатом, что решила проверит полученную молекулу на прочность – и обнаружила, что полученная молекула прочнее стали в пять раз!

Проведя еще несколько экспериментов, Кволек и ее коллеги узнали, что после нагревания прочность вещества повышается. Для людей, которые никогда не работали в лаборатории, этот результат был подобен ситуации, когда Супермен входит в огонь, а затем каким-то непонятным образом превращается в Халка. Тепло от огня, как по волшебству, заставляло молекулы перестраиваться, благодаря чему у вещества появлялась суперсила.

Так Кволек обнаружила кевлар. Мы используем этот материал во многих вещах: от пуленепробиваемых жилетов и оптико-волоконных кабелей до скафандров, в которых астронавты будут ходить на Марсе. Эта гигантская молекула называется полипарафенилен-терефталамид и представляет собой синтетическое волокно.

Кевлар – один из самых прочных материалов, известных на сегодняшний день. Его атомы располагаются вплотную и прочно связаны друг с другом; благодаря этому ничто – даже пуля – не может разорвать связи между ними. Во время стрельбы в ночном клубе Орландо одного полицейского спас шлем из кевлара, защитивший того от пули. А во время стрельбы в Паркленде группа старшеклассников спряталась за листом из кевлара, который они обнаружили в кабинете по военно-патриотической подготовке.

Это волокно спасает жизни. А все из-за (чрезвычайно сильного) притяжения между молекулами.

Эластичные волокна полимера были изобретены в 1930-х годах, и ученые сразу поняли, что их можно использовать при создании одежды (но не средств для макияжа). Например, в 1939 году были выпущены первые нейлоновые чулки – и знаете, это был огромный шаг вперед, если сравнивать их с чулками из хлопка или шерсти. Женщины по несколько часов стояли в длинных очередях, чтобы купить одну пару чулок – прямо точь-вточь как сейчас, когда люди выстраиваются в очереди на Черную пятницу.

Как и с другими тканями, нейлон вытягивается в длинные тонкие волокна, которые затем переплетаются между собой. Эти волока принимают замысловатую форму, образуя нейлоновую ткань. И хоть такая ткань очень эластичная, она дышит не так хорошо, как ткань из полиэстера, которую мы уже обсуждали в прошлой главе. Все из-за того, что молекулы в нейлоновой ткани тесно связаны друг с другом.

Как я уже говорила, когда нейлоновые чулки только изобрели, женщины стали одержимы новой тканью. Во время Второй мировой войны DuPont изменили свое производство и начали использовать полиамидный материал для производства парашютов. Количество чулок на рынке резко сократилось, при том, что спрос на них резко вырос. Это вызвало – я сейчас серьезно – нейлоновые бунты. Обида и злость женщин были настолько сильны, что дамы даже дрались друг с другом из-за чулок. А кто-то даже грабил соседок!

После войны компании вернулись к производству чулок, на этот раз смешивая нейлон с другими натуральными и синтетическими волокнами, например хлопком и полиэстером. Для того времени эти ткани были чем-то новым, из-за чего одежда из них оказалась очень популярной среди женщин. Новые чулки стали эластичными, недорогими и красивыми. Но если посмотреть с молекулярной точки зрения, то это был совершенно другой тип полимера.

В настоящее время в наших тканях используются все типы полимеров. В верхней одежде, например дождевике или непромокаемых штанах, вы найдете нейлон. Один из самых дешевых полимеров – полиэтилентерефталат (ПЭТ). Он занимает четвертое место по объему производства в мире, и, я уверена, вы знаете его по бытовому названию – полиэстер. Как и нейлон, полиэстер (и другие распространенные ткани) изготавливается с использованием полимерных цепей и механизмов связывания.

Я могла бы еще долго говорить на эту тему, потому что каждая вещь в вашем гардеробе состоит из химии: в бархате содержатся ацетаты, хлопок сделан из целлюлозы, а во влагоотводящей одежде используется полилактид.

Даже ваши ювелирные изделия – это химия! Серьги, браслеты, ожерелья – все это сочетания металлов – расплавленные и сформированные заново структуры. К слову, захватите с собой ваши любимые серьги и мини-бикини, потому что мы отправляемся на пляж!

8. Дай мне немного солнца. На пляже

Сейчас мы живем в Остине, и наша дорога до океана занимает около четырех часов. Все, что нам нужно сделать, это посадить собак на заднее сиденье, завести машину, открыть люк и наслаждаться яркой поездкой в Галвестон или Корпус-Кристи. Лето 2019 года вышло очень жарким, так что на какое-то время вода стала залогом выживания. В августе температура держалась в районе 37,8°C почти двадцать дней. Это было ужасно.

Тем летом мы буквально жили на пляже, и именно тогда я обратила внимание на химию, которая окружает нас там, начиная с авобензона в солнцезащитном креме и заканчивая полимерами в моих купальниках. Я видела примеры моей любимой науки буквально везде. Например, в холодильнике.

Единственная вещь, на которую мы тогда постоянно полагались, – качественный переносной холодильник, в котором мы хранили и еду и напитки. Наша любимая модель сделана из полиэтилена, хотя для их создания можно использовать и полистирол.

Не думаю, что вы часто думаете о холодильниках, но это просто удивительная вещь! Как правило, они используют особую молекулярную структуру, с помощью которой могут удерживать холодный воздух внутри. В основном у больших и крепких холодильников есть две разные формы полиэтилена, так что давайте сначала рассмотрим этот полимер. Как вы поняли из названия, полиэтиленовые полимеры состоят из молекул этилена. В настоящее время полиэтилен – это самый популярный и распространенный вид пластика. Этилен представляет собой углеводород с формулой Н_2С=СH_2, является газом и чрезвычайно легко воспламеняется. Такое неполярное соединение (электроны равномерно располагаются в молекуле) означает, что газ может образовывать дисперсионные взаимодействия только с соседними молекулами.

Но под чрезвычайно высоким давлением этилен способен вступать в химическую реакцию с самим собой; в ходе реакции получается длинная этиленовая цепь. Когда это случается, двойная связь разрушается и остается только одинарная, удерживающая всю молекулу. После этого атомы углерода могут образовать новые ковалентные связи с другими атомами углерода, что приводит к созданию длинной углеводородной цепи.

Позвольте объяснить это на примере Райана Рейнольдса из первой части книги. Мы уже обсуждали, как я могу образовать с ним двойную связь: нам нужно просто соединить по две наших руки. Но если я хочу пройти реакцию полимеризации, то мне нужно отпустить одну руку Райана и взяться за другую прекрасную знаменитость, Джо Манганьелло. Конечно же, Райан сделает то же самое – образует новую связь с Блейк Лайвли.

Эффект домино будет продолжаться до тех пор, пока все атомы углерода не окружат себя четырьмя ковалентными связями (все из-за положения углерода в периодической таблице). Полиэтилен является неполярным, между полимерными волокнами образуются дисперсионные взаимодействия. Такое взаимодействие очень похоже на межмолекулярное, образующееся между отдельными молекулами этилена.

Это гигантские молекулы с молекулярной массой от 10 000 до 100 000 г/моль. Так как полиэтилен представляет собой большую неполярную молекулу, он не растворяется в воде. Данное качество делает его идеальной молекулой для создания холодильников. Неспособность полиэтилена раствориться в воде позволяет наполнить холодильник льдом и принести его к океану.

Внешнее пластиковое покрытие большинства холодильников изготавливается из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), в то время как пакеты для сэндвичей из полиэтилена низкой плотности (ПЭНП). Давайте поговорим о ПЭНП, чтобы лучше понять разницу. ПЭНП впервые был использован еще в 1930-х годах, он имеет более низкую плотность, чем ПЭВП (да-да, я капитан очевидность). Но несмотря на то, что два этих вида пластика имеют одинаковые атомы и ковалентные связи внутри полимеров, способ образования связей у них очень различается.

ПЭНП представляет собой полимер, в котором ковалентные связи образованы между соседними молекулами этилена. Как мы уже обсуждали ранее, когда молекулы этилена вступают в реакцию друг с другом, двойная связь разрывается, а между молекулами образуется новая одинарная связь. В ходе этого процесса создается разветвленная углеводородная цепь. Следовательно, вместо того, чтобы формировать одну прямую цепочку атомов углерода (в ряд), связи образуются между случайными атомами. В результате образуется цепочка, по внешнему виду напоминающая букву Т. Форму «в ряд» можно сравнить со строем школьников, идущих в столовую, в то время как разветвленная форма напоминает хаос, который эти же школьники устраивают на перемене.

Из-за разветвленной формы ПЭНП намного слабее ПЭВП (и намного эластичнее). Такая форма не позволяет молекулам располагаться вплотную к другим ПЭНП, а значит, они не могут образовывать сильные дисперсионные взаимодействия. Следовательно, если мы возьмем определенное пространство, то там будет небольшая плотность полимером (диапазон плотности колеблется от 0,917 до 0,930 г/см^3).

Что на самом деле важно, так это то, почему мы так часто используем эти типы полимеров в повседневной жизни. Они легко растягиваются, эластичные и износостойкие, поэтому данные полимеры отлично подходят для использования в качестве пакетов для сэндвичей (и пластиковых пляжных сумок – но лишь до тех пор, пока все не поняли, что одноразовые сумки загрязняют окружающую среду; так что довольно быстро они превратились в многоразовые). ПЭНП идеально подходят для хранения больших сэндвичей, так как им можно обернуть хрупкие ломтики хлеба и защитить их от влаги. Тут полимеры определенно выигрывают конкуренцию с бумагой, которая неэластична и промокает при контакте с водой.

По сути, полиэтилен не считается твердым полимером, а это значит, что у нас есть возможность формировать молекулы в разных конфигурациях – изменять форму пластиков благодаря тому, как молекулы выстраиваются в линию в полимере. К примеру, если мы возьмемся за две стороны пакета для сэндвичей и потянем его в разные стороны, то увидим, что его форма изменится. Он ответит на прилагаемое давление, увеличиваясь в длину и уменьшаясь в ширине. Если мы потянем слишком сильно, то пакет порвется.

Этот процесс, называемый уменьшением поперечного сечения, происходит каждый раз, когда молекулы внутри полимера пытаются адаптироваться к изменениям. До того, как мы начали растягивать пакет, молекулы были в полном беспорядке, прямо как мокрые спагетти на сковородке. Но как только мы растянули пакет, молекулы выпрямились в ряд. Это можно сравнить с тем, что мы поставили сковородку на огонь и высушили спагетти. В стрессовой ситуации молекулы выпрямляются и выстраиваются в идеальный ряд. Благодаря длинной форме молекул мы можем растянуть пакет, придав ему форму гантели, о которой я уже говорила выше.

Но если вы отпустите пакет, то он со временем примет изначальную форму. Конечно, в некоторых местах могут появиться повреждения, особенно в тех, где пальцы соприкасались с поверхностью. Однако остальные полимеры должны вернуться к своему изначальному положению.

В отличие от ПЭНП, ПЭВП имеет линейную конфигурацию с прочными ковалентными связями между множеством атомов углерода. Чуть ниже я объясню, что это значит (выглядит очень странно). Сейчас вам необходимо знать, что именно эта форма делает ПЭВП особо прочными; ведь так ПЭВП могут располагаться вплотную друг к другу. При такой конфигурации полимеры образуют прочные дисперсионные взаимодействия между каждой молекулой полиэтилена, а это приводит к тому, что мы получаем ПЭВП. Он используется в создании холодильников, а их плотность колеблется от 0,930 до 0,970 г/см^3.

И хотя ученые смогли предсказать, что ПЭВП будет прочнее ПЭНП, сначала они пытались найти хороший способ синтеза полимера. Спустя двадцать лет после открытия ПЭНП немецкий химик Карл Циглер начал проводить эксперименты с этиленом. После каждой реакции он находил один и тот же продукт – бутен, молекулу, у которой все связи были одинарными и только одна – двойная.

Циглера заинтересовала эта неожиданная химическая реакция, так что он сразу же начал проводить более сложные эксперименты. Ученый выяснил, что внутри газообразного этилена находятся небольшие скопления никеля, благодаря котором образуется бутен.

Циглер начал добавлять этилен во все металлы. И хотя он не придерживался какой-либо системы, его эксперименты дали результат. Химик заметил, что цирконий и хром тоже способны образовывать смесь полимеров, но для производства полиэтилена с линейной формой лучше всего подходит титан.

Это стало революционным открытием, поскольку ранее металлы не использовались для образования ковалентных связей между двумя молекулами. Прежде ученые просто соединяли молекулы и меняли их количество, давление и температуру, пытаясь вызвать нужные им реакции. Но, сам того не зная, Циглер запустил новый вид катализа – это важная и огромная тема в моей области – неорганической химии.

В 1952 году немецкий ученый предоставил свою работу на конференции, и тогда итальянский химик Джулио Натта решил, что он сможет вывести «катализаторы Циглера» на новый уровень. Он решил добавить сокатализаторы. И это именно то, о чем вы думаете: он решил добавить второй металл, чтобы тот помог первому спровоцировать химическую реакцию.

Догадки Натта оказались верны, и они с Циглером быстро разработали катализатор Циглера – Натта; это название стало общим для двух любых сокатализаторов, превращающих двойные связи в одинарные путем образования длинной полимерной цепи. Данный метод был настолько инновационным, что вызвал огромный ажиотаж вокруг исследований новых полимеров. Поскольку это исследование провело революцию в произведение полимеров, Циглер и Натта в 1963 году получили Нобелевскую премию по химии.

Имея простой и быстрый способ получения ПЭВП, инженеры хотели начать использовать их в изготовлении предметов быта. В настоящее время ПЭВП используется не только в холодильниках или переносных холодильниках, но и в лодках, шезлонгах, кувшинах для воды и баночках для солнцезащитного крема. Вы можете найти ПЭВП в любом предмете для пляжа, точно так же, как и ПЭНП, который содержится в горках на игровых площадках, крышках контейнеров для еды и коробках сока.

Со временем ПЭВП стал самым популярным материалом для производства пластиковых холодильников. Причина в его изоляционных свойствах. Полимер удерживает тепло внутри контейнера, а твердая пена снаружи не позволяет солнечному свету проникнуть внутрь переносного холодильника. Горячий воздух остается на пляже, в то время как прохладный воздух, окруженный полиэтиленом, охлаждает ваше пиво.

Знаете ли вы, что в 1960-х годах компании начали использовать полимеры для производства упаковок с пластиковыми колечками вместо бумажных и металлических? Думаю, изначально эти изменения были восприняты хорошо, поскольку бумажные колечки сразу же размокали из-за конденсата на банках. Но в конце 1970-х – начале 1980-х годов активисты забили тревогу, и началась масштабная кампания по запрету жестких пластиковых колец. Дело в том, что небольшие дикие животные застревали в кольцах, из которых потом не могли выбраться, и в результате умирали. Тогда производители начали использовать более гибкий пластик, чтобы избежать смертей животных. Это означало, что новые держатели в упаковках будут достаточно прочными, чтобы не давать банке болтаться, но достаточно слабыми, чтобы животные могли их порвать. ПЭНП идеально подходил для этих целей.

В 1993 году Агентство по охране окружающей среды (АООС) потребовало, чтобы все полиэтиленовые колечки были биоразлагаемыми; пластик должен разрушаться естественным образом без участия человека. Производители решили использовать фотодеградацию: процесс, в ходе которого УФ-излучение разрушает связи в полимере (мы поговорим об УФ-излучении чуть позже). В зависимости от размера пластика этот процесс может протекать как несколько месяцев, так и несколько лет. Однако если выбросить предмет на свалку или закопать под землю, то солнечные лучи не смогут активировать механизм разрушения, и пластик никогда не разложится. Труднее всего разлагаются ПЭВП из-за своего большого размера.

Это касается всех полимеров на основе этилена, включая полистирол. Полистирол представляет собой крупную молекулу, используемую для создания пенопластовых охладителей. Полистирол состоит из молекулы стирола, которая во многом похожа на этилен. Единственное различие в том, что концевой атом этилена (H_2C=CHH) – водород – заменяется на бензольное кольцо (С_6H_5), и формула стирола выглядит так: (H_2C=CHC_6H_5). У полистирола есть шестичленное бензольное кольцо (С_6H_5), начинающееся с каждого второго атома углерода. Это довольно большая молекула.

Впервые полистирол был синтезирован в 1839 году немецким фармацевтом Эдуардом Симоном. Он извлек смолу из ликвидамбара восточного, а затем варил ее до состояния маслянистого вещества. В процессе очистки ученому удалось выделить молекулу под названием стирол. В конце концов эта молекула превратилась в вязкое густое вещество, похожее на желе. В 1866 году французский химик Марселен Бертло определил эту молекулу как длинную цепь углеводородов с чередующимися бензольными кольцами. Но тогда ученым только предстояло открыть полимеры. Поэтому потребовалось еще восемьдесят лет, чтобы это вещество получило официальное название полистирол.

Есть три общие конфигурации, которые может образовать полистирол: изотактическая, синдиотактическая и атактическая. Данный термин указывает на тактичность полимера – это странный способ указать на положение бензольных колец в молекуле. Если все бензольные кольца расположены с одной стороны полимера, то такой полимер является изотактическим. По правде говоря, не важно, где расположены кольца: справа или слева. Нам просто нужно, чтобы все они находились на одной стороне – это как если бы у сороконожки ноги располагались только на одной стороне тела. Эти полимеры самые прочные из трех, так как могут стоять вплотную к соседним полимерам.

Именно поэтому изотактическая конфигурация отлично подходит для производства пены для охлаждения. Как и в случае с холодильниками, горячий воздух не может пройти через пену, благодаря чему охлажденные напитки и еда продолжают оставаться охлажденными. Но есть две другие конфигурации, которые можно обнаружить в дешевых пенах для охлаждения.

Если бензольные группы полимера чередуются, располагаясь попеременно то с одной стороны, то с другой, то такой полимер является синдиотактическим. Эти полимеры по внешнему виду напоминают стебель розы, листья которой растут по всей длине. Из-за такой формы полимеры не могут стоять вплотную друг к другу. Стоящие невпопад кольца мешают.

Если бензольные группы распределены вокруг полимера случайным образом, то с одной стороны, то с другой, то полимер является атактическим. Такие полимеры считаются самыми слабыми из трех, так что у них самая низкая температура плавления. Именно поэтому атактические полимеры обладают наибольшей гибкостью и эластичностью, и это придает им текстуру резины.

Поскольку бензольные кольца очень большие, обычно полимеры полистирола являются атактическими. Это означает, что бензольные кольца в них расположены случайным образом. Какие-то слева, а какие-то – справа. Одни друг за другом, а другие – равномерно. Универсального образца такого полимера нет.

Именно поэтому мы работаем только с двумя основными формами полистирола. Первая называется кристаллической; такой полистирол используется в одноразовых пластиковых изделиях, например в пластиковых вилках и ножах, которыми вы едите во время пикника на пляже. Если вы используете пищевую пленку вместо пакетов для сэндвичей, то ваш холодильник будет заполнен полистиролом.

Я никогда не пожалею о том, что когда-то купила пищевую пленку. Это самый лучший продукт, поскольку ею можно закрыть контейнер, не используя при этом скотч или другие средства. Межмолекулярные взаимодействия в полистироле настолько сильны, что атомы притягиваются друг к другу, удерживая пластик вместе. Если пленка когда-нибудь скатается, распутайте ее и снова закройте контейнер. Просто дайте атомам немного времени для формирования дисперсионных взаимодействий между полимерными цепями.

Вторая форма полистирола – это вспенивающийся полистирол. Вы можете обнаружить ее на пляже во всем, что сделано из Styrofoam, например в стаканчиках или пенопластовых переносных холодильниках. (Styrofoam – это торговая марка пенопласта, и прямо как Kleenex, она используется для обозначения ткани.) Некоторые госучреждения прокладывают полистирол под дорогами, чтобы защитить асфальт от замерзания и деформации.

Вспененный полистирол является попкорн-полимером. Во время производства происходит весьма увлекательный процесс. Во-первых, молекулы полистирола искусственно делятся на небольшие гранулы, внешне напоминающие икру. Затем их накачивают воздухом и ссыпают в большую форму. Там гранулы плавятся: их нагревают до высокой температуры, а затем спрессовывают.

Пенопласт на 3–5 % состоит из полистирола, остальная часть – просто воздух. Вот поэтому большинство продуктов из пенопласта, например охлаждающая пена, такие легкие. Пенопласт тоже является хорошим изолирующим веществом, так что мы можем использовать его для хранения еды и напитков в охлажденном виде.

Однако ни кристаллический, ни вспенивающийся полистирол не обладают достаточной прочностью, так что они не могут выдержать давление газированного напитка. Для этого мы можем использовать другой полимер, полиэтилентерефталат (ПЭТ), который уже обсуждали в прошлой главе.

Интересный факт: этот же полимер используется в производстве бутылок для воды и газированных напитков. Пластик получается полупрозрачным, что очень хорошо: мы можем рассмотреть жидкость в бутылке. Сама емкость достаточно прочная, чтобы выдержать давление в газированном напитке. Если вы, как и я, предпочитаете приносить на пляж фрукты, то вас могут окружать молекулы ПЭТ – они находятся в пластиковых контейнерах для фруктов и ягод.

Как только все закуски и напитки уложены в холодильник, мы надеваем купальники и садимся в машину. Большинство тканей для купальников изготовлены из полиэфирных (или нейлоновых) полимеров с содержанием спандекса от 10 до 20 %, благодаря чему купальник будет эластичным и очень удобным. По правде говоря, эта информация не должна стать для вас чем-то новым, ведь мы уже обсуждали полиэстер и нейлон. Но в синтетическом волокне – спандексе (известном как лайкра) – есть нечто интересное. Впервые этот полимер был получен в 1952 году из полиэфира и полимочевины и поначалу рассматривался как замена каучуку в поясах для женщин. И поскольку этот полимер подходил для использования в нижнем белье, его назвали «спандекс», от слова «эластичность».

Все три синтетических волокна идеально подходят для использования в купальниках из-за их неполярных свойств. Когда вы заходим в океан, молекулы воды сразу же начнут проходить через свободное пространство между волокнами купальника; именно поэтому натуральная ткань, например хлопок или шерсть, сразу пропитается влагой. Но так как наши купальники сделаны из неполярных материалов, то полярные молекулы воды от них отталкиваются. Конечно, вода продолжает проходить через купальники, поскольку они не являются водонепроницаемыми, однако количество поглощаемой влаги сведено к минимуму.

Чтобы доказать это, давайте представим купальник из хлопка, который состоит из другого полимера – целлюлозы. Целлюлоза, в свою очередь, состоит из длинной цепочки молекул глюкозы, покрытых спиртовыми функциональными группами (OH). Благодаря этому молекулы целлюлозы становятся чрезвычайно полярными; это приводит к тому, что молекулы будут образовывать водородные связи с водой. Подобные межмолекулярные взаимодействия хороши тогда, когда козы пытаются растворить целлюлозу в желудке, но уж точно не в купальниках. Хлопок впитывает большое количество воды, из-за чего ткань становится тяжелой, а купальник начинает сползать.

Чтобы избежать этой неловкой ситуации, я покупаю купальники с содержанием нейлона и лайкры. И если у меня есть возможность приобрести купальник из переработанного нейлона, то я выберу его. В процессе переработки одежды старые полимеры разрушаются под действием высоких температур и высокого давления. Тем не менее, когда дело касается покупки купальника, для меня важнее его посадка и то, как хорошо он будет держаться на моем теле.

Моего мужа совершенно не заботит то, как сидят на нем пляжные шорты. Он просто хочет носить что-то легкое и водоотталкивающее, поэтому покупает шорты из полиэстера и спандекса. Вода буквально скатывается с его шорт; однако ему нужно использовать шнурки, чтобы шорты не упали, поскольку ткани в них обладают разной эластичностью.

Когда мы приезжаем к океану, я везде вижу одежду из спандекса. Купальники, гидрокостюмы, велосипедные джерси, одежда для пляжного волейбола, пляжные накидки… Если приглядеться, то эти волокна можно обнаружить даже в шляпках.

Но почему мы носим шляпки и накидки на пляже? От чего мы пытаемся защититься? Дело в очень вредном солнечном свете, провоцирующем рак. Но что такое свет? Это тоже химия? Да! По правде говоря, все, что вы видите, взаимодействует со светом. Красная книга в углу комнаты излучает видимый свет в красной области светового спектра, а ваша фиолетовая рубашка излучает свет в фиолетовой области. Свет от лампы или экрана мобильного телефона представляет собой инфракрасное излучение (ИКИ) или тепловое излучение (именно поэтому они нагреваются). А если ваши шторы открыты, то вы подвергаетесь ультрафиолетовому излучению. Итак, если вы не сидите в полной темноте, вы так или иначе взаимодействуете со светом.

Ученые исследуют свет уже достаточно давно. В те времена, когда считалось, что мир состоит из четырех элементов: огня, воды, воздуха и земли, греческий философ Эмпедокл сделал предположение, что из наших глазных яблок вырывается огонь, освещающий окружающие нас предметы и позволяющий нам видеть.

У этой теории имелось множество недостатков, и самым главным было то, что если наши глаза стреляли огнем, то мы должны были видеть в темноте. Между прочим, именно Эмпедокл стал автором идеи того, что мир состоит из четырех элементов. Он ошибался в обоих случаях; как мы знаем, у людей нет стреляющих огнем глаз, как у Циклопа из «Людей Икс».

И только в 1600-х годах французский философ Рене Декарт предположил, что свет похож на волну. В то время Леонардо да Винчи уже выяснил, что звук распространяется волнами; поэтому Декарт логично предположил, что свет может распространяться подобным образом. Одна эта идея полностью изменила наше представление о всех атомных элементах, включая протоны, электроны и нейтроны, а также их способности одновременно существовать и в форме частиц, и в форме волн.

Когда я говорю о волнах, пожалуйста, представляйте океанскую волну. Волна всегда исходит от какого-то источника энергии (например, гидроцикла или лодки), а затем распространяется по воде, пока не достигнет земли или не обойдет остров. Если мы говорим о звуковых волнах, это значит, что они могут огибать препятствия (к примеру, стены), так как мы можем слышать таймер духовки на кухне, находясь в другой комнате. Человеку не нужно видеть таймер или находиться рядом с ним, чтобы услышать его сигнал.

Теория того, что свет распространяется как волна, имела какой-то вес, потому что объясняла, почему свет проходит через разные жидкости с разной скоростью. Но если бы свет вел себя как звук, то он точно так же должен был бы огибать препятствия на своем пути. Главная проблема этой теории заключалась в том, что мы не сможем увидеть луч фонарика через кирпичную стену. Несмотря на то, что свет частично вел себя как волна, ученые понимали, что волновая теория не совсем подходит для объяснения света.

Всего несколько лет спустя английский физик Исаак Ньютон посмертно опубликовал работу малоизвестного французского философа, в которой рассматривались недостатки волновой теории света. Этот философ, Пьер Гассенди, утверждал, что свет больше похож на частицу, чем на волну, ведь он ведет себя как предмет с массой. В некотором смысле его догадки оказались правдивы – и это стало основной того, что сейчас мы называем фотоном, – однако данная теория также имела и ряд недостатков.

Если свет представлял собой частицу, то логично было бы предположить, что стена не будет пропускать все формы света. Ведь стена останавливает все, что имеет массу, например бейсбольный мяч. Мы не можем подкинуть мяч и ждать, когда он пройдет сквозь стену; то же самое касается и света, поскольку он не может проходить сквозь препятствия или огибать их. Да, с какой-то стороны эти суждения кажутся правдой; но это совершенно не объясняет преломления света, из-за которого получается радуга, или то, как свет, к примеру, огибает края двери. Если бы свет состоял из тысяч крошечных частиц, движущихся по прямой, такие явления были бы невозможны.

Чтобы не растягивать и так длинную и запутанную историю, давайте перенесемся в 1920-е годы, когда французский физик Луи де Бройль предположил, что вся материя обладает свойствами волн и частиц. Именно так люди узнали о корпускулярно-волновом дуализме.

Корпускулярно-волновой дуализм – это один из фундаментальных принципов химии, так как с его помощью можно объяснить, почему в определенных условиях частицы (например, протоны, нейтроны и электроны) действуют как волны. Мы можем использовать «волновую механику» для предсказания расположения электронов в атоме или молекуле и из полученной информации узнать все, что необходимо знать о солнечном свете.

Помните, в первой части книги мы рассматривали атомные орбитали? Все s, p, d и f-орбитали выводятся из одного уравнения (уравнения Шрёдингера), полученного из корпускулярно-волнового дуализма. По правде говоря, при решении данного уравнения у вас получится число (строка в периодической таблице) и буква (орбиталь) для определенного электрона. Это был первый раз, когда ученые практически точно смогли определить энергию электрона и его положение относительно ядра. А все благодаря нашему дорогому другу, австрийско-ирландскому физику Эрену Шрёдингеру.

Теория корпускулярно-волнового дуализма применялась не только к материи, она казалась вполне подходящей для объяснения упомянутых выше свойств солнечного света.

Ученые выяснили, что свет на Земле (в том числе и на пляже) исходит от солнца в виде электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение – это общий термин, обозначающий любую форму энергии, перемещающуюся (или излучающуюся) в электромагнитном поле. Энергия в пространстве движется в виде двух перпендикулярных волн (электрической и магнитной); отсюда и произошло название «электромагнитное» излучение.

Поскольку электромагнитное излучение – один из основных принципов химии, я хочу рассмотреть эту тему чуть подробнее. Если определенный тип света распространяется слева направо, то электрическая и магнитная волны тоже должны распространяться слева направо. Давайте предположим, что электрическое поле движется по канату слева направо. Следовательно, магнитное поле тоже будет двигаться слева направо, но только в другом направлении. Если электрическое поле будет двигаться по канату горизонтально, то магнитное поле будет двигаться вертикально (в виде вертикальной волны), так что положение магнитного поля относительно каната будет постоянно меняться: сначала оно будет выше каната, затем ниже, а затем снова выше. Когда два поля движутся одновременно, свет может проходить через нашу атмосферу. Если молекула взаимодействует с электрическими или магнитными волнами, атомы либо не пропускают свет, либо искажают его.

Квантовая механика – наука о субатомных частицах – может привести в огромное замешательство и запутать, именно поэтому я прошу вас сосредоточиться на одном: существует огромное количество электромагнитный энергий, известных как свет! Ученые объединили весь свет в спектр (электромагнитный спектр), где он распределен по длине волн. На одном конце спектра располагаются радиоволны со сверхдлинными волнами, достигающими размера целого здания. Несмотря на такую длину волн, у нее очень маленькая энергия. Радиоволны не в состоянии навредить нашему здоровью, так что мы можем спокойно использовать их как для Wi-Fi, так и для Bluetooth.

На другом конце спектра располагается гамма-излучение со сверхкороткими волнами и высокой энергией. Размер этих волн можно сравнить с размером атомного ядра – они очень маленькие. Но это излучение очень опасно для человека, и оно может нанести серьезный вред нашему телу и внутренним органам. Именно поэтому высококонцентрированные пучки гамма-излучения используются (с большой осторожностью) для уничтожения раковых клеток.

Однако, как и в сказке «Три медведя», есть идеальная золотая середина, где волны имеют средний размер и среднюю энергию. Электромагнитные волны располагаются в середине спектра – именно они обладают средней длиной волны и средней энергией (относительно радиоволн и гамма-излучения).

Эти волны соответствуют трем типам энергии, получаемой поверхностью земли от солнца: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное. Мы уже сталкивались с видимым светом, когда обсуждали красители и ткани, а также мы знаем об инфракрасной энергии, излучаемой кухонной плитой. Именно поэтому сейчас я хочу остановиться на самой опасной энергии – энергии ультрафиолетового излучения (УФ-излучение) – и объяснить, почему, отдыхая на пляже, необходимо пользоваться солнцезащитным кремом.

Ультрафиолетовое излучение – это самая высокая энергия, которую Земля получает от Солнца. Впервые УФ-излучение было обнаружено в 1801 году после того, как немецко-британский астроном Уильям Гершель открыл инфракрасные волны (волны ИК). Гершель доказал, что энергия может излучаться от волн, размер которых превышает длину волны видимого света; именно поэтому немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер задумался над тем, существует ли «невидимая» энергия, длина волн которой будет меньше длины волны видимого света.

Риттер решил поэкспериментировать с фиолетовым светом (свет с самой большой энергией, который может видеть наш глаз) и, как позже стало известно, с ультрафиолетовым светом. Он заметил, что пропитанная раствором хлорида серебра бумага становится темнее, когда на нее направлен «невидимыый» ультрафиолетовый свет. Все из-за того, что ультрафиолетовый свет вступал в реакцию с раствором и практически сразу менял его цвет.

Поскольку в то время именно фиолетовый свет был светом с самой высокой энергией, Риттер понял, что столкнулся с чем-то интересным.

Волны УФ-излучения, в то время называвшиеся химическими лучами, примерно с молекулу. Несмотря на их крошечный размер, они обладают огромной энергией. Например, еще в 1878 году ученые догадались, что УФ-излучение можно использовать для уничтожения бактерий. Тогда это излучение начали использовать для стерилизации вещей, в том числе и медицинского оборудования. Данный способ стерилизации используется и в наше время. По правде говоря, в 2020 году научное сообщество выдохнуло с облегчением, когда узнало, что с помощью УФ-излучения можно бороться с COVID-19.

Существует несколько подгрупп УФ-излучения (ультрафиолет А, ультрафиолет В и ультрафиолет С). Главное различие УФ заключается в длине волны. УФ-А – самое слабое излучение и с длиной волны от 315 до 400 нанометров (нм). Так как УФ-А обладает самой большой длиной волны, его иногда называют длинноволновым излучением. Чаще всего данное излучение используется в лампах черного света. Несмотря на то, что этот свет не очень яркий, его волны обладают очень высокой энергией. Именно поэтому вы никогда не должны смотреть прямо на источник света (или на солнце). И именно поэтому не следует лежать голышом под источником УФ-А, например, в солярии (но мы поговорим об этом чуть позже).

Когда длина волны уменьшается до 280–315 нм, мы переходим к другой подгруппе, называемой ультрафиолетом В. Энергия УФ-В выше, чем у УФ-А; данное излучение можно использовать для лечения кожных заболеваний, например, псориаза и витилиго. В ходе лечения не получится избавиться от всех симптомов, однако их можно будет облегчить.

Люди, держащие в качестве домашних питомцев ящериц или черепах, очень часто в террариумы ставят УФ-лампы, называющиеся лампами для баскинга. УФ-лампы гарантируют, что эти милые питомцы будут жить в уютных и комфортных условиях. Хладнокровные животные, такие как рептилии и амфибии, получают много пользы от УФ-излучения в террариуме, так как их тела могут поглощать энергию из окружающей среды. Очень интересно наблюдать за тем, как эти очаровательные существа часами греются под лампами.

Оказывается, людям тоже нужно греться под солнцем. У всех людей в коже есть холестерин – это молекула, состоящая из четырех соединенных между собой колец (три шестичленных кольца и одно пятичленное). Холестерин реагирует с высокой энергией УФ-излучения и образует витамин D_3 – холекальциферол.

Когда люди не получают достаточное количество солнечного света (и витамина D), у них может развиться дефицит; организм такого человека не может усваивать кальций, из-за чего страдают кости (они становятся хрупкими и слабыми). В конце концов дефицит витамина D приводит к переломам. Именно поэтому важно выходить на улицу хотя бы на несколько минут в день. Нужно совсем немного времени на то, чтобы ультрафиолетовое излучение расщепило холестерин в вашей коже и превратило его в витамин D.

Последняя подгруппа УФ-излучения – ультрафиолет С (УФ-С) с длиной волн от 100 до 280 нм. Он обладает короткими волнами с чрезвычайно высокой энергией; в 1878 году ученые обнаружили у такого излучения обеззараживающие свойства.

УФ-излучение может не только убивать микробы и бактерии, но также и нанести огромный вред человеческому организму. По правде говоря, более 90 % случаев возникновения рака кожи вызваны УФ-излучением. «Химические лучи» настолько сильны, что проникают в кожу и разрывают связи внутри молекул. Мы называем это диссоциацией связей (процесс соответствует своему названию: связи разрываются и вызывают диссоциацию атомов).

Когда молекулы в вашем теле разрушаются, то освобожденные атомы начинают искать новые пары; к сожалению, чаще всего эти приводит к образованию нежелательных связей. Если связь образуется в неправильной части молекулы или в неправильной части тела, то могут возникнуть раковые клетки.

Хорошая новость: мы можем предотвратить появление рака кожи, просто используя густой крем, называемый солнцезащитным. Этот крем поглощает как УФ-А, так и УФ-В излучение. А что насчет самого опасного излучения – УФ-С?

Чтобы ответить на этот вопрос, позвольте мне рассказать о том, как работает наша атмосфера, а также о ее важных элементах. Кислород, которым мы дышим, находится в слое воздуха, называемом тропосферой. Тропосфера – это первый слой атмосферы Земли. В основном она состоит из азота, кислорода, аргона, углекислого газа и воды – о всех этих веществах я уже рассказывала в первой части.

Следующий слой атмосферы – стратосфера, это область, под которой парят облака. Когда мы летим на самолете, мы летим именно в стратосфере: так мы избегаем турбулентности, которая вызывается молекулами в нижнем слое тропосферы. В стратосфере намного меньше молекул, поэтому пилотам не нужно сильно беспокоиться о перепадах давления воздуха, вызывающих турбулентность.

В стратосфере располагается очень важный слой нашей атмосферы – озоновый. Это нижняя часть стратосферы. Возможно, вы знаете, что озоновый слой представляет собой тонкий покров, действующий как солнцезащитные очки Земли. А все благодаря двум молекулам: кислороду (O_2) и озону (O_3). Мы не можем этого видеть, но газы, фотоны и энергии в стратосфере постоянно взаимодействуют друг с другом!

Когда УФ-лучи попадают в озоновый слой, может случиться несколько разных вещей; все зависит от энергии излучения. Например, если в озоновый слой попадает УФ-излучение с высокой энергией и длиной волны короче 242 нм, то оно может разорвать двойную связь в молекулах кислорода (O=O). Если длина волны превышает 242 нм, то излучение этой двойной связи не навредит. Если же длина волны УФ-излучения короче 320 нм, то оно сможет разорвать ковалентную связь внутри молекул озона, но не внутри молекул кислорода.

Но что это значит для людей, загорающих на пляже? Толстые слои кислорода и озона работают вместе, защищая поверхность Земли от вредных лучей УФ-В и УФ-С. И если высокоэнергетический свет разрушает молекулярные связи в озоновом слое, но не достигает поверхности Земли, то УФ-А излучение, обладающее низкой энергией, вполне способно пройти сквозь нижнюю часть стратосферы.

Но как это происходит? Ведь УФ-А намного слабее других излучений. Разве озон и кислород не должны защищать нас от этой опасной энергии? К сожалению, нет.

Существует единственный способ, при котором озон и кислород могут нас защитить. Позволить УФ-излучению разрушить их ковалентные связи. Но проблема в том, что только волны короче 242 нм могут разрушить связи в кислороде и волны короче 320 нм могут разрушить связи в озоне. Излучение с волнами больше 320 нм слишком слабо для того, чтобы разорвать связи в молекулах. Именно поэтому УФ-А-излучение, длина волн которого составляет 315–400 нм, спокойно проходит сквозь озоновый слой и устремляется прямо к нам, любителям отдохнуть на пляже.

Несмотря на то, что УФ-А-излучение самое слабое из трех подгрупп (с самой большой длиной волны), именно оно наносит самый большой вред человеку. Если бы мы подвергались воздействию УФ-В- и УФ-С-излучений, то для нас это не обернулось бы ничем хорошим: излучение проникало бы в наше тело, разрывая связи между молекулами и создавая хаос. И у есть только две молекулы-супергероя, способные защитить наше тело.

Если вам нужно защититься от УФ-А-излучения, то все, что нужно делать, это каждый день наносить солнцезащитный крем. Звучит просто, да?

Я настоятельно рекомендую вам покупать продукты для макияжа, в которых уже содержится солнцезащитный крем. Следовательно, ваша кожа будет защищена даже в том случае, если вы выходите на улицу всего на пару минут или солнце «атакует» вас, когда вы болтаете с соседом. Но если вы собираетесь провести весь день на пляже, под открытым солнцем, то вам необходимо с ног до головы намазаться солнцезащитным кремом широкого спектра действия (это значит, что он защищает от разных групп УФ-излучения).

В США распространены две формы солнцезащитного крема. Первая представляет собой физический блокатор – это солнцезащитный крем, который мы наносим непосредственно на кожу. Чаще всего это оксид цинка – густой белый крем, из-за которого в 1980-х годах нос спасателей был белым. И знаете, мой папа был единственным человеком в моем родном городе, кто заставлял своих детей наносить этот крем, – в те времена я хотела сквозь землю провалиться от стыда.

Вторая форма солнцезащитного время гораздо популярнее, и этот крем работает на основе химического процесса, происходящего, когда крем (точно как кислород и озон) поглощает УФ-излучение. Молекулы этого крема, например авобензон, имеют ограниченный диапазон поглощения лучей, и именно поэтому в солнцезащитных кремах содержится несколько активных веществ. Авобензон лучше всего поглощает УФ-А-излучение, но плохо справляется с УФ-В. С другой стороны, октилметоксициннамат поглощает любое УФ-В-излучение, прорвавшееся через озоновый слой.

Я живу в очень теплом месте: летом температура здесь превышает 37°C, поэтому у меня всегда есть солнцезащитный крем с солнцезащитным коэффициентом (SPF) 30. Значение SPF означает, что крем защищает от всего вредного УФ-излучения, взаимодействующего с моей кожей, кроме его 1/30 части. SPF 10 не блокирует 1/10 часть всего излучения, а SPF 50 – 1/50.

SPF ничего не значит, если вы не обновляете крем каждые два часа. Если вы этого не делаете, то через три или четыре часа ваша кожа будет «голой» из-за ряда факторов. К тому же если вы отдыхаете на пляже, то солнцезащитный крем может смыть вода; в итоге ваша кожа останется беззащитной, а УФ-излучение начнет разрушать молекулы в ней.

Существует мнение, что солнцезащитный крем или крем для загара не может иметь SPF больше 50. Многие химики считают, что из-за огромного количества переменных нельзя создать крем, полностью защищающий от УФ-излучения. Все зависит от того, сколько крема наносит человек и как часто он его обновляет. Лично я не видела доказательств того, что солнцезащитные кремы могут защитить нас от практически всего излучения, так что я пользуюсь кремом с SPF 30.

Использование некоторых солнцезащитных средств может иметь негативные последствия. Например, октилметоксициннамат является удивительной молекулой, способной защитить нашу кожу от вредного УФ-излучения, однако он наносит колоссальный вред коралловым рифам. К сожалению, большинство людей наносят солнцезащитный крем непосредственно перед тем, как зайти в воду. Именно поэтому в некоторых регионах (к примеру, на Гавайях) введен запрет на использование солнцезащитных кремов с октилметоксициннаматом (запрет вступил в силу в 2021 году).

Однако не так важно, живете вы в Техасе или на Аляске, большинству из нас необходимо ежедневно использовать солнцезащитный крем или проверять УФ-индекс перед каждым выходом на улицу.

УФ-индекс – довольно интересная штука. Наша одержимость предсказаниями настолько огромна, что ученые даже отправили в атмосферу аппараты, определяющие длину волн солнечного света. На основе собранных данных ученые вычисляют опасность от УФ-излучения в тот или иной день. Значение шкалы колеблется от нуля до одиннадцати (иногда выше), где ноль – самый низкий уровень излучения, а десять и выше – чрезвычайно высокий. Каждый раз, когда вы видите УФ-индекс, равный или больше трех, я рекомендую вам использовать солнцезащитный крем с SPF30+.

И еще одно предостережением. Если вы находитесь у отражающих поверхностей, например воды, снега или песка, то УФ-индекс может увеличиться в два раза. Именно поэтому люди предпочитают загорать на пляже, а не на заднем дворе своего дома. Именно поэтому люди намного быстрее загорают у воды. То же самое касается эпизодов, когда вы уезжаете в горы покататься на лыжах: если даже небольшая часть вашего лица открыта, она обязательно загорит.

И кто знал, что хорошая поездка на пляж включает в себя не только десятки искусственных полимеров, например спандекс, полиэтилен и полистирол, но и химические вещества, которые мы наносим на свое тело, чтобы защитить кожу и молекулы в ней от вредного излучения. Возрадуйтесь же, любители позагорать!

9. PIE KID YOU NOT. На кухне

На кухне я могу заниматься только одним: выпечкой. Мне нравится, ведь это медитативный процесс. И очень точный. А еще – это химия. Перед тем, как что-то испечь, вам нужно высчитать пропорции. То же самое мы делаем с веществами в лаборатории. Затем вы смешиваете ингредиенты вместе, соблюдая осторожность: нельзя недомешать или слишком сильно перемешать полученную смесь. То же самое касается работы химика в лаборатории: если мы добавим слишком много тепла или давления, то вещества среагируют не так, как ожидалось.

Я еще очень долго могу проводить параллели между выпечкой и химией, однако в этой главе мне хочется подробно рассказать о происходящей на кухне химии. Не важно, печете вы торт или готовите ужин из пяти блюд, потому что химия всегда рядом.

Я научилась печь у мамы. Знаете, она готовит просто потрясающие пироги; я даже просила ее делать пирог с ревенем вместо именинного торта на каждый мой день рождения. И именно на маминой кухне я поняла одно важное правило: нужно соблюдать точность.

Я даже не могу вспомнить, сколько книг о выпечке прочитала. Я, как и моя мама, специализируюсь на выпечке, поэтому несколько книг из моей библиотеки посвящены только коржам для пирогов. Мой фаворит – «The Pie and Pastry Bible» Роуз Леви Беранбаум. Мне нравится, что представленная в книге информация весьма точная; если вы решите повторить один из рецептов, у вас получится лучший пирог или торт в жизни. И все пойдет крахом, если вы замените хотя бы один ингредиент – например, в рецепте пирога со свежей черникой вы решите использовать малину. В выпечке всегда допускаются небольшие погрешности, прямо как и в лаборатории.

Моя мама считает, что можно быть плохим пекарем только в одном случае – если вы не соблюдаете граммовку. Самый лучший и легкий способ стать лучшим пекарем в мире – это купить кухонные весы и использовать массу (граммы) вместо объема (чайные/столовые ложки, чашки). Вам будет проще подготавливать и убирать кухню, к тому же вы станете последовательнее и точнее. К примеру, если в рецепте написано, что для приготовления пирога требуется 1⅓ чашки и 4 чайные ложки муки, вы просто замучаетесь отмерять это все. Сколько это муки в граммах? 184 грамма. Просто и легко. Если вы пользуетесь весами, то вам не нужно думать о том, с горкой вам насыпать муку или нет. 184 грамма – это просто 184 грамма, и не важно, используете вы ложки или чашки.

Теперь я не буду покупать кулинарные книги, в которых используется только объем. Понимаете, мне такие рецепты кажутся очень неточными. Если вы решите посмотреть рецепты в своих кулинарных книгах, то обратите внимание на то, какую муку вам предлагают использовать для каждого вида выпечки. Например, для хлеба нужно использовать хлебопекарную, а для пирогов – муку для выпечки. Да, может показаться, что я сильно заморачиваюсь, но мука – это главный ингредиент. Давайте поговорим о разнице между видами муки.

Перед тем, как начать писать эту главу, я посмотрела на свои запасы муки. Оказалось, что у меня хранится шесть разных сортов: универсальная, кондитерская, хлебопекарная, для сдобы, цельнозерновая и без глютена. Вся мука расфасована по герметичным контейнерам, а каждый контейнер подписан.

Как правило, когда дело касается муки, пекари становятся очень привередливыми. Есть история об известном британском пекаре, которого задержали при въезде в США из-за того, что в ее чемодане было большое количество неизвестного белого порошка. Ей нужно было приготовить особенный десерт на одном мероприятии, и она, решив не рисковать, взяла с собой несколько сортов муки. К сожалению для этой женщины, Управление транспортной безопасности не было уверено в том, что это обычная мука, а не контрабанда… и именно поэтому я подписываю всю свою муку, если я куда-то еду!

Так почему же вид муки так важен? Почему все пекари настаивают на том, что для каких-то рецептов нужно использовать универсальную муку, а для тортов и выпечки – кондитерскую? Белок. Все дело в белке.

Некоторые виды муки (например, универсальная неотбеленная) производятся из твердых сортов пшеницы с высоким содержанием белка; при этом другие виды муки (например, кондитерская) производятся из сортов пшеницы с низким содержанием белка. По правде говоря, большая часть молекул муки – это белки.

Белки вокруг нас: они не только в нашей пище, но и в наших волосах, в коже. Быть может, вы помните, что белки – это полипептиды. То есть их молекула состоит из двух или более аминокислот.

В каждом виде муки содержится два белка: глютенин (клейковина) и глиадин. Когда глютенин и глиадин смешиваются друг с другом, образуется глютен. Да, тот самый глютен.

Интересный факт: люди с непереносимостью глютена должны соблюдать безглютеновую диету из-за непереносимости глиадина, а не глютена! С точки зрения диеты таким людям проще исключить из диеты глютен, а не глиадин; именно поэтому диета называется «безглютеновой».

К сожалению, глютен – лучший друг пекаря (вместе с дрожжами). Этот пептид вытягивается, захватывая пузырьки углекислого газа, которые выделяются в процессе химической реакции с дрожжами, благодаря чему тесто становится объемным и увеличивается в размере. Хорошо в глютене то, что в конце концов он перестает вытягиваться и застывает. Именно поэтому после замешивания теста вам нужно подождать какое-то время, пока оно не увеличится в два раза – как раз настолько увеличивается тесто, когда выходит весь углекислый газ.

Содержание глютена зависит от сорта пшеницы, из которой сделана мука. Твердые сорта (такие сорта называются твердыми из-за того, что зерна пшеницы длиннее и тверже, чем зерна «мягкой» пшеницы) содержат много глютена, из-за чего такую муку лучше всего использовать вместе с дрожжами. Из твердых сортов пшеницы получается эластичное тесто; именно поэтому такую муку используют для приготовления свежей пасты или теста для пиццы. Мука из твердых сортов применяется в хлебном пудинге или грязном хлебе (например, сладком обезьяньем).

Зерна мягкой пшеницы короткие и мягкие, поскольку содержат большое количество углеводов. В муке из мягких сортов пшеницы не так много белка и глютена, поэтому полученное из муки тесто не будет эластичным. Есть два вида мягкой пшеницы: с красным и белым зерном. Мягкая пшеница с белым зерном идеально подходит для кондитерской муки, в то время как мягкая пшеница с красным зерном подходит для сдобы. Именно поэтому я предпочитаю использовать мягкую белую пшеницу или кондитерскую муку, чтобы выпекать основы для пирогов.

Главное отличие кондитерской муки от муки для сдобы в том, что муку для сдобы очень часто отбеливают – или подвергают химической обработке, – чтобы она могла противостоять жиру и сахару. Лично я предпочитаю использовать неотбеленную муку, поэтому, как правило, покупаю муку от King Arthur. Для выпекания коржей для пирогов я использую неотбеленную кондитерскую муку от Bob’s Red Mill.

Кроме выбора неверного сорта муки, многие начинающие пекари совершают еще одну распространенную ошибку: они используют пищевую соду вместо разрыхлителя.

Пищевая сода – это общее название бикарбоната натрия (NaHCO_3), основной молекулы, используемой в выпечке. (Мы подробно поговорим о пищевой соде в следующей главе. Спойлер: пищевую соду можно использовать для уборки вашей кухни!)

Отбеливать или не отбеливать

Первый вопрос, который мне задают пекари: «Что из себя представляет отбеленная мука?» Она опасна для человека? А правда, что химические вещества остаются в муке? Или это просто маркетинговый ход?

Ну, отбеленная мука – это результат того, что произошло еще в 1700-х годах. В те времена было очень трудно отделить отруби (внешний слой зерна) и зародыши (белый росток) от самой муки. Каждый раз, когда у мельников была чистая белая мука (мука из зародышей), они оставляли ее для людей из высшего класса. Со временем белая мука стала ассоциироваться с богатством, благосостоянием, из-за чего ее ценность повысилась.

А затем некоторые недобросовестные мельники начали добавлять в муку побочные вещества, например мел и кости, чтобы придать ей белый цвет. Этот процесс назывался отбеливанием или осветлением. Еще в середине 1750-х годов английский парламент пытался принять закон, запрещающий подобные добавки, однако он никогда не соблюдался.

Данный процесс происходит и по сей день, однако вместо мела и костей используются особые химические вещества. Самым распространенным отбеливателем муки считается бензоил пероксид. Он отбеливает муку, никак не влияя на ее химическую целостность. Иногда используется безопасная двуокись хлора, однако эта добавка обладает специфическим вкусом и запахом.

Интересный факт: в зависимости от времени года, спустя две-четыре недели после обработки мука белеет естественным образом (две недели летом, четыре недели зимой). Из такой муки получается эластичное тесто. Однако большинство мельников довольно нетерпеливы, чтобы ждать столько времени, так что они используют химическую обработку.

Знаете, решение этой проблемы лежит на поверхности. Если у вас есть возможность, то покупайте неотбеленную муку.

Как и пищевая сода, разрыхлитель состоит из бикарбоната натрия и одной важной кислой соли – соли винной кислоты. Разрыхлитель – это химическое вещество, представляющее собой молекулу, которая увеличивает объем готовой выпечки. Когда вы готовите основу для пирога, кислота в разрыхлителе вступает в реакцию с бикарбонатом натрия (который также есть в разрыхлителе) и образует углекислый газ. Благодаря газу тесто становится легким и воздушным – а это очень важно, если вы готовите пироги.

В разрыхлителе могут содержаться две разные кислоты (или кислые соли). Эти быстродействующие вещества реагируют с бикарбонатом натрия при замешивании теста и сразу же начинают образовывать пузырьки углекислого газа. Двумя самыми распространенными быстродействующими реагентами являются монокальцийфосфат и кремортартар (или винный камень).

При этом медленно действующим кислотам необходима тепловая энергия и нахождение в теплом месте – только в этом случае начнется образование углекислого газа. Такие молекулы, как дигидропирофосфат натрия или алюминий натрий сульфат, начнут реагировать с бикарбонатом натрия только при высокой температуре.

Для изготовления коржей я люблю использовать разрыхлитель двойного действия. В нем содержится одна быстродействующая кислая соль и одна медленно действующая. Мой любимый разрыхлитель – это разрыхлитель от Clabber Girl. Мне очень нравится, что в нем содержится бикарбонат натрия (основа), монокальцийфосфат (быстродействующая кислота) и сульфат алюминиянатрия (медленно действующая кислота). В этом разрыхлителе также содержится большой процент кукурузного крахмала, и это гарант того, что порошок долгое время будет оставаться в рассыпчатом, сухом состоянии (другими словами, кислота и щелочь не вступят в реакцию сами по себе, когда вам этого не надо).

Еще один популярный ингредиент для теста – сливочное масло. С химической точки зрения это липид. Термин используется для обозначения огромного количества неполярных молекул, однако «кухонные» липиды попадают в подкатегорию, которая называется триглицеридами. Когда они находятся в твердом состоянии, их называют жирами. В жидком состоянии – маслом. Например, сливочное масло считается жиром (а не маслом), так как при комнатной температуре находится в твердом состоянии. Оливковое масло считается маслом, так как при комнатной температуре находится в жидком состоянии.

Если в триглицериде между двумя атомами углерода есть хоть одна двойная связь, такое вещество называется ненасыщенным жиром. Если в молекуле есть только одинарные связи, оно называется насыщенным жиром.

Кокосовое и сливочное масло – это два распространенных насыщенных (то есть только с одинарными связями) триглицерида. При комнатной температуре оба жира находятся в твердом состоянии, однако со временем они тают и становятся мягкими. Оливковое и рапсовое масла являются мононенасыщенными маслами (приставка «моно» указывает на то, что есть одна двойная связь), однако оливковое масло полезно для здоровья. По правде говоря, оно обладает высоким мононенасыщенным составом, особенно если сравнивать его с другими распространенными маслами.

Когда я готовлю коржи для пирога, то предпочитаю использовать обычное сливочное масло. Однако в повседневной готовке мы с мужем постоянно используем оливковое или рапсовое масло, а также масло авокадо. И это хорошо. Дело в том, что в рапсовом масле содержится высокий процент линолевой кислоты, молекулы, которую наш организм не может извлекать из других продуктов. (Интересный факт: линолевая кислота и альфа-линолевая кислота – это единственные жирные кислоты, которые считаются незаменимыми. Возможно, вы слышали об альфа-линолевой кислоте, так как обычно ее называют жирной кислотой омега-3; она содержится в соевом масле и масле грецкого ореха.)

К сожалению, в использовании полезных масел есть свои недостатки. Двойные связи в ненасыщенных маслах, например оливковом масле, могут реагировать с кислородом в атмосфере и выделять неприятный запах. Если вы когда-нибудь чувствовали, что от вашего масла неприятно пахнет и что оно «испортилось», то, скорее всего, масло просто окислилось и утратило свою двойную связь. Именно поэтому покупка большого количества масла будет плохой идеей; конечно, если у вас нет необходимости постоянно готовить для большого количества людей.

Наличие (или отсутствие) двойной связи помогает нам определить температуру плавления триглицерида; точка плавления – это температура, при которой молекула из твердого состояния переходит в жидкое.

Как правило, у молекулы без двойных связей температура плавления будет выше, чем у молекулы с двойными связями. Обычно чем больше двойных связей у триглицерида, тем ниже будет его температура плавления. Именно поэтому насыщенные триглицериды чаще всего являются твердыми веществами (жирами), а ненасыщенные – жидкостями (маслами).

Если мы занимаемся выпечкой, то нам просто необходимо это знать. Дело в том, что от этого зависит структура коржа. Масло (жир) используется для приготовления воздушных пирогов, и лично мне кажется, что на масле получаются самые вкусные коржи. Но тесто на масле не такое простое, как может показаться. Чтобы получился классный корж, вам нужно использовать холодное масло. Из теплого (подтаявшего) получится липкое тесто, с которым будет трудно работать – у вас даже нормально раскатать его не получится. А все из-за межмолекулярных взаимодействий, которые образуются между тестом и скалкой.

Некоторые пекари предпочитают использовать растительный шортенинг[9], так как он устойчив к межмолекулярным взаимодействиям, образующимся при высоких температурах, но я не думаю, что вкус растительного масла повлияет на вкус всего продукта. Корж на растительном масле будет чуть плотнее, с жирной текстурой. Это связано с тем, что шортенинг на 100 % состоит из жира, в то время как масло состоит из жира (80 %), воды (18 %) и молока (2 %).

К тому же есть люди, которые любят намеренно усложнять себе жизнь. Если вы используете масло для приготовления коржей, то прекратите сейчас же. Получающееся тесто будет сухим и рассыпчатым. К тому же такое тесто очень тяжело раскатать даже с лучшим оборудованием на свете.

Пожар, образованный горящим жиром

Пока я рассказываю о том, что делать (и не делать) с маслом на кухне, хочу предупредить вас. Масла и жиры не смешиваются с водой, поэтому никогда не пытайтесь потушить горящий жир водой.

Горящий жир – это следствие возгорания примесей в масле. Обычно такой пожар происходит в том случае, если мы долго используем одно и то же масло или готовим много жареных блюд. Вам нужно сразу потушить огонь. Накройте сковороду/противень/кастрюлю крышкой, тем самым перекрыв огню доступ к кислороду. Если возгорание небольшое, то можно посыпать огонь плотным порошком, например солью или пищевой содой. Однако я чаще всего использую большой противень.

Чего вы точно никогда не должны делать, так это поливать возгорание водой. Почему? Дело в том, что вода полярна, а масло – нет. Следовательно, две жидкости не смогут смешаться. Так как вода плотнее масла, она опустится под него и начнет взаимодействовать с горячим дном сковороды. И это серьезная проблема, так как вода закипает при гораздо меньшей температуре, чем большинство масел. Вода сразу начнет испаряться, то есть переходить из жидкого состояния в газовое. Когда это случится, образовавшиеся частицы газа будут пытаться покинуть сковороду, выталкивая слой масла над собой и разбрызгивая его по всему помещению.

Хотите избежать возгорания жира? Чаще меняйте масло для жарки и держите рабочее пространство в чистоте. А если немного масла все же выплеснулось из сковороды, просто вытрите его тряпкой!

Последний ингредиент любого рецепта пирога – это сахар, и я имею в виду измельченный сахар, а не естественный, содержащийся в ягодах и фруктах. Сахара классифицируют как углеводы, так что каждый сахар состоит из углерода (угле-), кислорода (-о-) и воды (-гидрат). Здорово, да? Конечно, «гидрат» не означает, что в углеводе есть настоящие молекулы воды. Наоборот, именно так обозначается то, что в молекуле всегда будет поддерживаться соотношение водорода и кислорода два к одному – напоминает формулу воды, да?

Ежедневно мы взаимодействуем с двумя типами углеводов: простыми и сложными. Давайте начнем с простых углеводов (простых сахаров). Такие молекулы называются моносахаридами, и это самый маленький тип углеводов.

Двумя распространенными типами моносахаридов являются глюкоза и фруктоза. Они имеют общую молекулярную формулу (C_6H_12O_6), но разную структуру. Круто, да? Если такое случается в химии, то мы называем молекулы изомерами, указывая на то, что оба вещества имеют одинаковое количество атомов, которые при этом связаны в разном порядке. Например, глюкоза представляет собой шестичленное кольцо, а фруктоза – пятичленное.

Если вы до сих пор помните процесс фотосинтеза из своего университетского курса биологии, то уже, наверное, догадались, как производится глюкоза. Растения используют солнечную энергию для преобразования воды и углекислого газа в кислород. Это одна из причин, почему кислород является самым распространенным моносахаридом на Земле. Глюкоза содержится в кукурузе, винограде и даже в нашей крови.

Фруктоза как моносахарид присутствует во всех фруктовых сахарах. Она содержится в сахарном тростнике, свекле, меде, а также во фруктах и ягодах.

Вещество, которое чаще всего используется в начинках пирогов, а также в кофе и чае, – это дисахарид, называемый сахарозой (C_12H_22O_11) или столовым сахаром. Сахароза не настолько сладкая, как фруктоза (фрукты), но намного слаще глюкозы (содержится в большинстве овощей). Сахароза – это результат соединения молекул глюкозы и фруктозы. Вот почему она называется дисахаридом (буквально «два сахара»). (Если вы подумали, что моносахарид – это один сахар, то вы правы.)

Фруктоза, глюкоза и сахароза являются простыми сахарами. Они могут соединяться друг с другом с помощью реакции конденсации, образовывая полисахарид или длинную цепочку моносахаридов. Обычно мы называем полисахариды крахмалами, а крахмал содержится в картофеле, бобах и рисе.

Сахар тоже реагирует на тепло. Например, когда я ставлю пирог в разогретую духовку. Этот процесс называется карамелизацией, и обычно при данном процессе изменяется цвет выпечки, а помещение наполняется невероятными запахами. Если вы готовите карамель, то обратите внимание, что со временем твердое белое вещество превращается в густую, вязкую желтую жидкость, а затем в вещество темно-коричневого цвета. Когда темно-коричневое вещество застывает, получается карамель; это происходит после того, как в воздух выбрасываются все ароматные соединения.

Но что происходит на самом деле? Начнем с того, что белое твердое вещество в начале, сахар, начинает расщепляться. При взаимодействии с теплом связи в сахаре постепенно рвутся, из-за чего образуются глюкоза и фруктоза. Эта смесь представляет собой желтую жидкость, которую мы видим на промежуточном этапе. Если мы посмотрим на этот процесс под микроскопом, то увидим, что полисахаридные цепочки моносахаридов начинают медленно распадаться на молекулы – сладкие, горькие, ароматные – именно поэтому мы чувствуем яркий запах пирога.

Когда я ставлю пирог в духовку, то молекулы белка, о которых мы уже говорили ранее (например, в муке), тоже реагируют на тепло. Это приводит к началу денатурации: тепло духовки начинает разрушать связи внутри молекул белка в муке.

Если вы хотите представить этот процесс, то подумайте о теплой, сладкой булочке с корицей (в классической форме рулета). Когда духовка нагревается до определенной температуры, рулет начинает вибрировать. Дополнительная энергия от тепла духовки разрушает межмолекулярные взаимодействия, которые помогали булочке поддерживать свою форму. Тогда она начинает увеличиваться в размере, словно рулет решил раскрутиться в прямую линию. Такие изменения происходят во всем пироге на молекулярном уровне. Трехмерные белки превращаются в плоские двухмерные (то же самое происходит с яйцами при приготовлении омлета). Это важно, поскольку в ходе процесса все атомы в молекулах обнажаются.

Вы когда-нибудь ломали булочку корицей перед тем, как съесть? Если бы вы в детстве играли со своей едой, как это делала я, то увидели бы, что пекарь посыпал булочку корицей и намазал сверху маслом (или глазурью) перед тем, как закрутить из теста рулет. Вот так выглядят молекулы кондитерской муки после завершения денатурации. Вкуснятина на атомном уровне.

Когда белки полностью денатурируют, то начинается другой процесс – коагуляция. Белки, по форме напоминающие развернутые булочки с корицей, начинают сталкиваться друг с другом. Как я уже говорила, тепло духовки заставляет молекулы вибрировать, так что им не сложно столкнуться друг с другом.

В ходе подобных столкновений образуются водородные связи. Создается длинная цепочка связанных между собой атомов с пустыми карманами, а также больших белков. Что самое интересное, все молекулы воды, находящиеся в пироге, заполняют эти пустые карманы. Комбинация воды и цепочек из белков представляет собой «испеченный пирог» и имеет плотную рассыпчатую текстуру (обычно люди называют ее основой пирога).

Пекари не знают точно, когда происходят эти молекулярные взаимодействия. Так как все это происходит на микроскопическом уровне, мы не можем просто открыть духовку и понять, на каком этапе сейчас пирог. В кулинарных книгах никогда не упоминаются процессы денатурации и коагуляции. Там просто говорится, что необходимо разогреть духовку до 180°C и выпекать пирог в течение пятидесяти минут. Вот поэтому готовая выпечка может быть невкусной, так как может с легкостью пригореть или не приготовиться до конца.

Например, вам когда-нибудь приходилось выпекать (или есть) сухой пирог с мокрым дном? (Или вы с ужасом наблюдали за тем, как такой пирог получился у вашего фаворита в «Лучшем пекаре Британии»?) Мокрое дно получается не из-за того, что пирог достали из духовки слишком рано, а из-за того, что надолго оставляли пирог на противне.

Почему же так случается? Дело в том, что при денатурации у белков появляются пустые карманы, в которые может попасть вода. Эти белки также коагулируют. Если пекарь отвлекается и пирог остается в духовке на несколько минут или даже секунд дольше, чем необходимо, – это приводит к образованию большого количества межмолекулярных взаимодействий. Когда на десерт воздействует лишнее тепло, расстояние между белками уменьшается и они практически выдавливают воду из карманов.

Когда вода испаряется из вашего десерта, существует два варианта развития событий. Первый вариант довольно очевиден: вода испаряется, а выпечка становится сухой и, быть может, даже подгоревшей. Второй вариант не так очевиден, поэтому сильнее расстраивает многих пекарей, в том числе и меня.

Так как вода является относительно плотной молекулой, она может покинуть карман атома, опуститься на дно противня и сформировать водородные связи с другими молекулами воды. Если на дне противня соберется достаточное количество жидкости, то основа пирога превратится в кашу. Думаю, Пол Голливуд, судья «Лучшего пекаря Британии», посмеялся бы над этой ситуацией.

Стоит заметить, что иногда мокрое дно не является результатом межмолекулярных взаимодействий. Иногда это просто ошибка пекаря: например, он решил добавить чуть больше воды, чем требовалось. К примеру, если в рецепте указано, что нужно добавить четыре чаши малины, то не стоит заменять малину на ежевику. Да, даже если вам не нравится вкус малины. Все дело в том, что ежевика намного сочнее малины. Так что, если вы добавите сочную ежевику, то вместо вкусного пирога получите непонятную кашу.

Свежие ягоды vs замороженные ягоды

Вы когда-нибудь задумывались над тем, почему в одних рецептах желательно использовать замороженные ягоды, а в других – свежие? Между черникой в морозильной камере и черникой в холодильнике есть большая разница. Дело в длине водородных связей, существующих между молекулами воды. В жидком веществе водородные связи занимают меньше места, чем водородные связи в твердом веществе. Это свойство воды очень необычное: большое расстояние между молекулами в твердом веществе позволяет льду плавать на поверхности воды. Знаете, это полностью противоположно тому, что обычно делают твердые вещества в жидкостях, так как большинство из них просто утонут.

Это означает, что при замерзании вода расширяется (при этом большинство твердых тел сжимается). Именно поэтому нельзя оставлять в морозилке бутылку шампанского. Жидкость замерзает, расширяется и выталкивает пробку. И тогда в вашей морозилке происходит большой взрыв. Даже когда у меня уже имелись обширные знания по химии, я на собственном опыте узнала, что же на самом деле происходит с банками пива в морозилке. Я допускала ужасные ошибки.

А теперь давайте посмотрим, как все это влияет на вкус свежих и замороженных ягод. В свежей чернике есть обычное содержание воды (около 85 %), поэтому ягода очень сочная. С замороженными ягодами все обстоит иначе. Когда чернику кладут в морозилку, то вода внутри нее замерзает. Образованный лед распирает клетки ягоды, иногда повреждая или разрывая их.

Когда ягоды достаются из морозилки, то лед начинает таять, оставляя после себя месиво из клеток. Это влияет на способность ягод удерживать влагу, что, в свою очередь, сказывается на влажности самого пирога (и на его вкусе). Другими словами, если по рецепту требуются замороженные ягоды, то убедитесь, что вы используете именно их; иначе у вашего пирога будет влажное основание.

Если вы будете соблюдать рецепт в точности, то готовый пирог наполнит вашу кухню божественным ароматом. А все благодаря молекулам, которые называются ароматическими соединениями; когда мы вытаскиваем пирог из духовки, в атмосферу их высвобождается огромное количество.

В большинстве случаев запах еды связан с ее вкусом. Основная цель состоит в том, что так мы можем уберечь себя от потенциально опасных вещей, которые могут нас убить. Например, бактерий. Небольшой процент людей не имеет обоняния, так что они не только не могут полноценно воспринимать еду, но и не имеют человеческого инстинкта, защищающего нас от употребления гнилой и испорченной пищи. Я знакома с человеком, у которого нет обоняния. Однажды, когда мы еще учились в колледже, к нему в гости наведалась мама. И знаете, ее чуть не вырвало, когда она вошла в квартиру. Видимо, в холодильнике лежала испорченная еда, но мой знакомый не чувствовал этого ужасного запаха.

Если еда приятно пахнет и имеет хороший вкус, то эти два чувства объединяются, формируя то, что мы называем вкусовым и ароматическим букетом. У каждого из нас есть определенный набор вкусов, который нравится нам больше всего. Но тем не менее каждый вкус в этой вселенной, начиная с макарон Kraft и сыра и заканчивая меню в дорогом ресторане, получается из четырех молекул: воды, жиров/масла, белков и углеводов.

По правде говоря, наш мозг с легкостью различает эти вкусы. Он даже может с точностью определить, что именно мы едим: моносахарид или полисахарид (сахар или крахмал). А все из-за того, что наши вкусовые рецепторы (посылающие сообщения в мозг) способны обнаруживать множество разнообразных молекул. Например, когда вкусовые рецепторы обнаруживают ионы водорода (H+), то еда кажется кислой. А щелочные металлы, например, придают ей соленый вкус.

Давайте вернемся к теме выпечки. Вы знали, что наш мозг сможет обнаружить разницу между моносахаридом (сахаром во фруктах) и полисахаридом (крахмалом в муке). Мне кажется, именно сочетание сладости (моносахарида) и умами (полисахарида) делает пироги лучшим десертом. (Возможно, я слишком предвзята; я уже говорила, что у моей мамы получаются божественные пироги?)

Наши вкусовые рецепторы могут обнаруживать молекулы из-за того, что наш мозг очень внимательно следит за концентрацией некоторых ионов – в нашем случае Na+и H+– в ионных каналах. Они расположены внутри клеток наших органов и создают пути для циркуляции ионов по всему телу. Их даже можно сравнить с автомагистралями, по котором можно добраться из одного места в другое.

Когда мы едим что-то очень соленое, наш мозг замечает большое количество ионов натрия в ионном канале языка. А когда увеличивается концентрация ионов водорода, то наш мозг сразу понимает, что мы съели что-то кислое.

И все это происходит практически мгновенно. Наш мозг поражает, правда?

С молекулярной точки зрения между такими вкусами, как соленый/кислый и сладкий/умами, есть одно большое различие – это связи между молекулами. В соленых и кислых продуктах образуются ионные связи; при этом в сладких и умами образуются ковалентные связи. Именно поэтому мы можем преодолеть рефлекс и съесть очень сладкую пищу, но не очень кислую. К примеру, когда мы едим черничный пирог, наши вкусовые рецепторы тут же определяют сладкий вкус. Когда мы едим что-то сладкое, мы не используем ионные каналы.

То же самое касается горького вкуса, поскольку концентрация таких молекул не влияет на общий вкус. Вне зависимости от того, съедите вы одну ложку или целую тарелку, вкус будет одинаково горьким.

Так как сладкий, умами и горький вкусы не попадают в наш мозг через ионные каналы, их все время определяют в одну категорию. Все три вкуса возникают в результате реакции между определенными ковалентными молекулами и рецепторами в клеточных мембранах наших рецепторов. Когда происходит химическая реакция, наш мозг идентифицирует вкус как сладкий, умами или горький. И да, мозгу требуется на это меньше секунды.

И раз мы сейчас говорим о вкусах, я хочу развеять одно заблуждение. Поверхность языка практически одинаково различает все пять вкусов. У нас нет областей или отделов вкусовых рецепторов! Так что вы сможете почувствовать сладость вашего пирога каждым дюймом языка.

Всего выделяют пять основных вкусов: сладкий, соленый, кислый, горький и умами. (Японское слово умами переводится как «приятный вкус». Однако многие люди используют слово пикантный.) Лучшие пекари используют их для создания удивительных вкусовых сочетаний.

Давайте рассмотрим рецепт классического пирога с ревенем. Для начинки вам потребуется 4 чашки ревеня (кислое), 2/3 стакана сахара (сладкое) и щепотка соли. Все это смешивается с цедрой лимона (кислое), благодаря чему создается сбалансированный сладко-солено-кислый вкус.

Но знаете, меня как химика очень удивляет, что одну и ту же комбинацию молекул разные люди могут воспринимать по-разному. Я просто обожаю пирог с ревенем, но некоторые его просто ненавидят. Почему?

Вкусовые предпочтения каждого человека основаны на психологии удовольствия, объясняющей, почему у людей есть любимые цвета, фильмы, песни, еда… Химия мозга очень сложна, но большая часть психологов согласны с одной теорией: когда человек испытывает положительный опыт с какой-либо вещью, то велика вероятность, что эта вещь станет его любимой. Человеческий мозг просто реагируют на разные химические рецепторы.

Когда дело касается еды, ясно, что большую часть любимых продуктов мы нашли еще в детстве. Думаю, я обожаю пирог с ревенем из-за того, что это был первый пирог, который я попробовала. Мой детский мозг был поражен сочетанием сладко-соленой начинки, и по сей день я не пробовала пирога лучше.

Но в этой теории есть одно исключение: по правде говоря, вы можете научить свой язык различать большее количество вкусов. Научить точно так же, как вы подготавливаетесь к спортивному марафону или футбольному матчу; вам придется потратить много времени и сил, чтобы научиться различать молекулы в еде. Но когда это происходит, люди открывают для себя новые продукты; они улучшают свой вкус, и это довольно странный способ сказать, что они увеличили свое вкусовое разнообразие.

У некоторых людей вкус просто превосходный. К примеру, я была знакома с пекарями, которые за пару секунд могли распознать нотки мускатного ореха в овсяном печенье, или гурманов, которые мгновенно понимали, что в их любимом тайском ресторанчике в карри добавляется рыбный соус. Однако, чем вы старше (или чем больше вы курите), тем сложнее вашему мозгу различать сигналы языка. Кажется, с возрастом ваши вкусовые рецепторы – или ваша способность определять ионные и ковалентные связи между молекулами – изнашиваются. Мой вам совет: пока вы молоды, ходите по разным местам и пробуйте разную еду. Приготовьте пирог с ревенем, потом – яблочный пирог и решите, какой вам нравится больше.

Теперь вы знаете, что происходит между атомами и молекулами в ваших десертах. Надеюсь, в следующий раз, когда вы решите заняться выпечкой, этот процесс будет намного веселее… и интереснее.

Но если вы похожи на меня, я уверена, что вы просто разрушали свою кухню, когда решали повторить рецепт невероятного черничного пирога. Вся ваша одежда (и волосы) в муке, а собаки слизывают с пола часть пирога.

А пока мой пирог остывает, я чувствую огромное желание собрать кучу старых тряпочек, чистящих средств и заняться уборкой.

Как видите, мне есть чем заняться.

10. Свистите во время работы. Убираемся в доме

Я люблю убираться.

Или, если точнее, мне нравится ощущение чистого дома. Бывают моменты, когда я до блеска чищу какую-нибудь вещь, а затем зову мужа и заставляю его любоваться трудами моей плодотворной работы. Теперь, по прошествии нескольких лет совместной жизни, он просто смотрит на чистый унитаз, говорит, что он очень чистый, а затем идет заниматься своими делами.

Часть меня всегда наслаждается процессом уборки: когда я очищаю столешницу от слоя жира и грязи или когда использую лимон для очистки слива. Я очень рада, что могу применить свои химические знания дома.

Но прежде чем вы приметесь читать главу, посвященную средствам для уборки, – в которой, я надеюсь, найдете несколько полезных для вас лайфхаков – позвольте объяснить, почему вам стоит относиться с осторожностью к средствам для уборки.

Давайте начнем с того, что каждое средство – это множество тщательно подобранных молекул, которые при совместной работе отлично выполняют определенные задачи по очищению загрязнений. Например, в очистителе для унитазов используется кислота, в отбеливателях – гипохлорит натрия, а в средствах для мытья окон – аммиак. Нельзя использовать одно и то же средство для удаления загрязнений со всех поверхностей: молекулы в нем могут отлично справляться с грязью на одной поверхности и при этом могут запросто испортить другую. Думаю, вы это и без меня понимаете. Большинство людей не будут даже пытаться использовать средство для чистки ванны, чтобы помыть пол, или Windex для очищения гранитных столешниц (так как он нарушит защитное покрытие).

Никогда не смешивайте два химических вещества, чтобы получить «сильное» чистящее средство. Это как если бы я пришла в лабораторию и соединила две случайные молекулы просто потому, что мне было интересно посмотреть на результат. Что еще хуже, химические вещества в чистящих средствах предназначены для реактивного действия. Давайте рассмотрим чистящее средство для унитазов и белизну.

Когда сильная кислота (средство для унитаза) смешивается с гипохлоритом натрия (белизна), в результате химической реакции образовывается токсичный газ – хлор. Во время Первой мировой войны газообразный хлор, иногда называемый бертолитом, использовался в качестве химического оружия. И хотя у меня не было возможности понюхать его самой, солдаты описывали, что у газа «сладковатый» привкус ананаса и перца. Газ вступает в реакцию с водой во рту, горле и легких, в ходе чего образуется соляная кислота. Газообразный хлор – это пренеприятная молекула, которую не хочется синтезировать на своей кухне или в ванной – или в любом другом закрытом пространстве.

Также не стоит смешивать белизну с любыми средствами, в составе которых есть аммиак (к примеру, средство для мытья окон). Когда гипохлорит натрия вступает в реакцию с аммиаком, образуется несколько хлораминов (NH_2Cl), которые считаются вредными для здоровья человека. Проводилось несколько исследований, в ходе которых была доказана связь рака мочевого пузыря и толстой кишки с водой, имеющей высокую концентрацию хлораминов: вероятность возникновения рака была выше у той группы населения, которая пользовалась такой водой. К тому же эта вода вызывает раздражение глаз и проблемы с дыхательной системой.

Вот вам еще одна страшилка, чтобы вы даже и не думали смешивать разные средства для уборки: в 2008 году японка решила смешать стиральный порошок с другим чистящим средством. В итоге она причинила вред девяноста жителям в доме, а затем покончила жизнь самоубийством. Из соображений общественной безопасности японские СМИ решили не разглашать, что именно она смешала, – и мне кажется, это было очень мудро.

Итак, теперь, когда мы знаем, что чистящие средства нельзя смешивать, давайте посмотрим, как именно происходит удаление пятен и грязи. А между тем можем подумать, так ли мы хороши в уборке, как нам казалось?

Давайте начнем с кухни, ведь именно с этого места я начинаю каждую субботнюю утреннюю уборку, да и вообще каждую уборку в доме Бибердорфов. Первое, что я делаю, это собираю вчерашнюю посуду и загружаю ее в посудомоечную машину. Пластмассовые принадлежности нужно ставить сверху, поскольку тепло от посудомоечной машины может деформировать контейнер (химия!); кастрюли и сковороды снизу.

Механизм работы посудомоечной машины очень прост. Вода течет в машину, после чего выделяется моющее средство. Крайне важно не путать средство для мытья посуды и посудомоечное средство. Понимаете, эти два казалось бы похожих средства состоят из совершенно разных типов молекул. Средство для мытья посуды состоит из молекул, безопасных для человеческой кожи; в посудомоечных средствах содержатся агрессивные вещества, которые вы, поверьте, ни за что не захотели бы нанести на свои руки.

Молекулы в посудомоечных средствах разъедают остатки пищи на тарелках и столовых приборах. В большинстве посудомоечных средств содержатся метасиликаты, карбонат натрия и гидроксиды металлов; многие из перечисленных веществ могут взаимодействовать с ферментами. Когда мы запускаем посудомоечную машину, эти химические вещества вступают в реакцию с молекулами еды. Например, щелочные соли растворяют жир, а ферменты удаляют с посуды оставшиеся белки. Если ни одна из этих молекул не справится с затвердевшей лазаньей, не беспокойтесь – всю работу выполнят гидроксиды металлов.

Работая в тандеме, эти средства расщепляют кусочки еды на тарелках, которые потом еще сильнее расщепляются в горячем, токсическом вареве. Затем отходы спускаются в слив, после чего посуда станет чистой. Вуаля!

Позвольте рассказать вам очень веселую и увлекательную историю моего знакомства с «химией посудомоечных машин». Я тогда была на втором курсе, и однажды заметила, что из моей машинки с ужасающей скоростью течет пена. Оказалось, что моя соседка по комнате решила использовать средство для мытья посуды вместо посудомоечного. К тому же она добавила по капле средства на поверхность каждой тарелки – так она хотела убедиться, что посуда точно будет чистой.

И я совсем не преувеличиваю, говоря, что потом еще несколько дней из нашей посудомоечной машинки текла пена. В конце концов нам пришлось вызвать мастера по ремонту. Он сделал удивительно хитрый трюк: приехал к нам с большой бутылкой растительного масла, подошел к посудомоечной машине и залил в нее как минимум стакан; затем он попросил нас дважды включить посудомоечную машину, после чего ушел.

Это принесло немедленные результаты.

Поскольку растительное масло вступило в реакцию с ПАВ в средстве для мытья посуды, пена перестала течь. У больших молекул ПАВ есть гидрофильная и гидрофобная части, которые используются для удаления грязи с посуды, когда мы моем ее вручную. Гидрофобная часть вещества захватывает фрагменты пищи, а гидрофильная образовывает связи с водой, цепляясь за нее. Благодаря этому мы с легкостью может удалить кусочки пищи с поверхности тарелок (механизм действия можно сравнить с тем, как ПАВ в шампунях удаляют жир с наших волос).

Когда мастер залил в посудомоечную машину масло, гидрофильная часть ПАВ образовала с водой водородные связи, а гидрофобная часть вступила с маслом в новые дисперсионные взаимодействия. Затем вода вымылась из посудомоечной машины вместе с молекулами масла.

Но почему из посудомоечной машины текла пена? Итак, пена образовывалась в тот момент, когда ПАВ в средстве для мытья посуды образовывало водородные связи с другими молекулами ПАВ (да-да, с молекулами того же самого средства для мытья посуды) или другими молекулами воды. Образованные взаимодействия были настолько сильными, что внутри посудомоечной машины возникли пузырьки воздуха. Просто представьте, как внутри вашей посудомоечной машины образуются миллионы пузырьков… Именно так и появилась эта пена. Но когда в посудомоечную машину добавили масло, активировалась гидрофобная часть, которая разрушила пузырьки.

И именно поэтому средство для мытья посуды так хорошо удаляет жир (масло) с кастрюль и сковородок: гидрофильные и гидрофобные свойства ПАВ позволяют разрушить старые связи, которые кусочки пищи и жира образовали с вашей посудой. Это также объясняет, почему лучше добавлять моющее средство в саму жирную посуду, а не в воду. Жирная поверхность сковороды отталкивает воду в раковине, так что нам нужен «посредник» – ПАВ – который поможет удалить жир со сковороды.

Важно: никогда не используйте средство для мытья посуды на чугунной сковороде, так как дно качественной чугунной сковороды покрыто тонким слоем молекул. Если вы решите использовать средство для мытья посуды, то гидрофобная часть свяжется с молекулами сковороды и оторвет их от дна.

Моя подруга Рэйчел Рэй как-то раз дала мне совет, как можно помыть сковороду, не испортив ее. Сначала вам нужно взять крупнозернистую поваренную соль и втереть ее в сковороду: так кристаллы соли проникнут в самые недоступные места; при этом соль взаимодействует только с молекулами еды, отталкивая их от поверхности сковороды, и не затрагивают тонкий слой молекул на дне. Затем ополосните сковородку горячей водой и налейте на дно немного масла. Рэйчел советует накрыть сковороду бумажным полотенцем, чтобы предотвратить образование ржавчины (но я всегда пропускаю этот шаг: бумажное полотенце использовать необязательно, поскольку масло и так отталкивает любую воду).

И хотя ПАВ средств для мытья посуды отлично справляются с загрязнениями на сковородках, они совершенно бесполезны в борьбе с темными пятнами, образующимися на посуде Tupperware. Для решения этой проблемы я всегда обращаюсь к своему верному другу, гидрокарбонату натрия (NaHCO_3), в народе его называют пищевой содой. Не знаю, как у вас, а в моем доме пищевую соду можно найти буквально везде: одна упаковка для пирогов, одна упаковка для экспериментов и еще одна для кошачьего туалета. Эта маленькая молекула может сделать много интересного, а все из-за того, что эта молекула легко разрушается, образуя основание.

Молекулы, образующие основание (к примеру, гидроксид натрия), кажутся нам неприятными, так как реагируют с жирами и маслами на нашей коже. Они буквально становятся склизкими, потому что при соприкосновении сразу же вытягивают масло из ваших пальцев. Ужасно, да? Но если между вашей кожей и основанием будет достаточно контакта, то некоторые из них могут создать мыло буквально из ваших рук.

Основания получили небольшую известность еще в 1999 году в фильме «Бойцовский клуб», когда Тайлер Дерден (Брэд Питт) вылил основание (гидроксид натрия) на руку Эдварда Нортона. Нортон кричал, корчился от боли, так как основание вступило в реакцию с его кожей. По правде говоря, в фильме все немного приукрасили: если на вашу руку попадет гидроксид натрия, то не будете испытывать сильную боль; но все равно вам будет очень неприятно, когда на руке начнет образовываться мыло из ваших жиров и масел. Скорее всего, вы чувствовали это каждый раз, когда перебарщивали с любым чистящим средством, способным образовать основание, например пищевой содой.

Чтобы объяснить это и то, как гидрокарбонат удаляет пятна с посуды Tupperware, давайте разберемся, что из себя представляют основания. Основания – это молекулы, принимающие протон (H+) при реакции с водой. В данном случае «протон» – это просто слово, используемое для описания атома водорода, потерявшего один электрон. Если мы используем гидрокарбонат натрия, то он «примет протон»:

NaHCO_3 + H+→ Na++ CO_2 + H_2O

Чтобы ничего не усложнять, давайте условимся, что гидрокарбонат натрия принял протон от молекул, изменяющих цвет посуды Tupperware. Этот процесс занимает какое-то время, так что я рекомендую замочить посуду в растворе пищевой соды хотя бы на несколько часов. В конце замачивания я добавляю пару капель средства для мытья посуды.

Пищевая сода успешно удаляет темное пятно, забирая несколько протонов молекулы и заставляя ее разрушаться; после средство для мытья посуды смоет остатки молекулы. Некоторые люди также добавляют лед, но так они только уменьшают количество пищевой соды, растворяющейся в воде.

На микроскопическом уровне все основания хотят принимать протоны (Н+). Самым быстрым способом получения протона – взаимодействие с кислотами, у которых этот протон и отбирается. Дело в том, что кислоты – весьма реакционноспособные молекулы, у которых всегда есть один лишний протон. Отличным примером кислоты является уксус, в котором содержится примерно 5 % уксусной кислоты (CH_3COOH). Происходящая между пищевой содой и уксусом реакция просто поражает: именно эту реакцию используют для демонстрации извержения вулканов на научных выставках.

Вот как это работает: когда вы смешиваете уксус с пищевой содой, уксусная кислота (CH_3COOH) отдает свой протон (Н+) гидрокарбонату натрия (NaHCO_3). Пример:

CH_3COOH + NaHCO_3 → CH_3COONa + CO_2 + H_2O

Смесь начинает активно пениться. Эти пузырьки и есть углекислый газ, который образуется в ходе реакции нейтрализации.

Но в этот же момент происходит и другая реакция. Когда уксусная кислота (CH_3COOH) отдает свой протон, она превращается в ацетат натрия (CH_3COONa). В химии такие молекулы называются сопряженными кислотно-основными парами, так как единственное различие их молекулярных формул заключается в одном протоне. Уксусная кислота (уксус) является, как ни странно, кислотой, а ацетат натрия – сопряженным основанием.

К счастью, ацетат натрия совершенно безвреден для нашего организма, поэтому мы можем спокойной использовать сочетание уксуса и пищевой соды.

И вы совершенно не удивитесь, узнав, что уксус (в основном белый) – это бытовое чистящее средство, способное спасти вашу кухню. (Вы можете использовать другие виды уксуса, но темные уксусы, например бальзамический, не рекомендуется применять для очистки светлых поверхностей.)

Белый уксус представляет собой прозрачную бесцветную жидкость. Уксус – это в целом дешевый и отличный реагент, способный удалять пятна на вашей кухне без вреда для приборов или мебели. Его можно использовать для чистки раковины, кофейника или мутных бокалов. Некоторые люди используют уксус, чтобы отмывать мусорное ведро.

Уксусная кислота отдает свой протон молекулам грязи на вашей раковине. В этом случае молекулы отталкиваются от раковины и вступают с уксусом в кислотно-основную реакцию. Этот процесс занимает некоторое время, так как сначала уксусу нужно впитаться в поверхность. Примерно через пятнадцать минут вы можете вооружиться жесткой щеткой (или зубной) и удалить всю грязь. В конце промойте всю поверхность раковины проточной водой.

Если бы вы попробовали смесь уксуса и воды (пожалуйста, никогда не делайте этого), то она имела бы кислый вкус, типичный для всех кислот. Он возникает из-за высокой концентрации ионов гидроксония (H_3O+), присутствующих в смеси. Такой же вкус появляется у перебродившего пива: образуется уксусная кислота, которая разлагается с образованием ионом гидроксония.

Но есть кислота, которую вы можете попробовать без вреда для здоровья. Лимонная. Она содержится в лимонах и лаймах и является безопасным чистящим средством. Мне нравится чистить сток раковины с помощью лимонной кислоты. В Остине довольно жесткая вода, в ней есть все виды минералов. Со временем эти минералы скапливаются внутри труб, вызывая засоры, особенно если в трубы попадают чужеродные предметы, например пища или волосы.

И лимоны – это отличное решением проблемы с засорами. Просто разрежьте пару лимонов пополам, а затем протолкните их внутрь стока. С помощью теплой воды смойте лимонную кислоту в канализацию. Все, можете наслаждаться новой, чистой кухней с ароматом лимона.

Лимонная кислота является трехосновной. Это означает, что у нее есть три разных протона, которые она может отдать в ходе реакции. В случае с прочисткой засора эта мощная кислота цепляется за минералы жесткой воды, удерживает их и перемещается вместе с ними по трубе. Минералы притягиваются к молекуле кислоты, очищающей слив.

Вы заметили? Все чистящие средства, используемые на кухне (и в ванной тоже), отлично захватывают и удерживают молекулы грязи, удаляя их с нужных нам мест. Но у этих молекул совершенно разный химический состав, поэтому каждый раз требуется новый «магнит».

Давайте теперь поговорим о столешницах. Если у меня совсем нет времени, я беру универсальное чистящее средство для всех поверхностей, состоящее из воды с добавлением диметилбензил аммония хлорида. Как и средство для мытья посуды, эта молекула представляет собой ПАВ с гидрофобными и гидрофильными частями. Именно поэтому ей требуется всего несколько секунд, чтобы очистить (образовать межмолекулярное взаимодействие, а точнее, дисперсионное взаимодействие) грязь с поверхности. Всегда внимательно читайте рекомендации по использованию чистящего средства, но если вы похожи на меня, то вам не захочется тратить несколько минут в ожидании какого-либо результата.

И именно поэтому я немного нервничаю, когда использую белизну (гипохлорит натрия) для очищения кухонных поверхностей. Белизна представляет собой жидкость бледного желто-зеленого цвета с характерным запахом, часто ассоциирующимся с чистотой. Основной молекулой является гипохлорит натрия, так что мы можем ожидать, что белизна будет вести себя точно так же, как и пищевая сода (гидрокарбонат натрия).

Каждое чистящее средство с белизной в составе имеет разную концентрацию гипохлорита натрия. Например, в стиральных порошках или обычных домашних отбеливателях содержится 3–8 %, но, как правило, в них также есть и немного гидроксида натрия (основание, которое использовали в «Бойцовском клубе»).

Если вы подумали, что гидроксид натрия добавляется в средство просто так, вы ошибаетесь. Он используется в качестве предохранителя, помогающего замедлить разложение гипохлорита натрия. Если при хранении белизна вдруг начнет разлагаться, выделяя особо токсичный газообразный хлор, о котором я уже говорила ранее, то гидроксид натрия вступит в реакцию с этим газом, образовывая еще больше гипохлорита натрия. Очень удобно, да?

Я начала использовать белизну на кухне еще во времена колледжа, когда профессор поведал нам о чудесных свойствах гипохлорита натрия. Он рассказал, что это вещество очень часто используют в качестве дезинфектора в больницах, так как белизна способна убивать множество бактерий на большом количестве поверхностей. Белизну низкой концентрации, например 0,05 %, можно использовать для дезинфекции рук. При высокой концентрациях, например 0,5 %, белизну можно использовать для дезинфекции поверхностей, со следами биологических жидкостей. Именно поэтому она является настолько популярным средством при переливании крови.

Но на самом деле белизна не удаляет молекулы с поверхности. Она просто разрывает несколько связей внутри молекулы (этого достаточно, чтобы убить бактерии), но при этом строительные блоки – атомы – продолжают держаться за поверхность стола или пола в ванной.

Если вы хотите скрыть что-то от полиции, то не используйте белизну.

Позвольте объяснить. Гипохлорит натрия вступает в реакцию с молекулой и изменяет ее взаимодействие со светом. После реакции молекула не может излучать свет видимого спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый). Это означает, что хоть мы не видим молекулу грязи, она все еще находится на прежнем месте.

Так что, если вы заляпали все кровью и пытаетесь спрятать следы от полиции, не используйте белизну. Если вы попадете под подозрение, то все, что нужно будет сделать полиции, это использовать люминол – и след крови засветится.

Иначе говоря, если вы очищаете стол или душ с помощью белизны, то вы не удаляете бактерии. Вы просто меняете цвет самих молекул. Не волнуйтесь, в большинстве средств содержится небольшое количество ПАВ, помогающих избавиться от бактерий мокрой тряпкой.

Закончив с кухней, я перехожу в гостиную. Ох, как же я обожаю стирать отпечатки собачьего носа с окна, у которого я обычно читаю.

Для мытья окон лучше всего подходит другое соединение с основными свойствами – аммиак. Так как аммиак является основанием, он связывается с частичками грязи и пыли, и это делает его отличным чистящим средством. С помощью всего одной салфетки я могу помыть все стеклянные поверхности, а затем наслаждаться чтением возле кристально чистого окна. Конечно, мои собаки пытаются испачкать его каждый раз, когда я отворачиваюсь или отвлекаюсь.

Аммиак можно использовать для полировки мебели, полов, но он практически бесполезен при очистке унитазов или душа. Пожалуйста, только не говорите это отцу из «Большой греческой свадьбы», считавшему, что Windex может справиться со всем – даже с акне на лице.

Так как у меня есть две собаки, кошка и муж-аллергик, то уборка в основном состоит в удалении пыли и шерсти животных. Отсюда и происходит моя одержимость шваброй Swiffer и роботом-пылесосом Roomba.

Швабры – это вам не игрушки. Разве не удивительно, что простое движение куска ткани по полу удаляет твердый мусор из любой гостиной? В следующий раз, когда будете доставать тряпку, осмотрите ее хотя бы минуту. Обратите внимание на ее размер, а также на то, как переплетены между собой ее волокна.

Во время работы понаблюдайте за тем, как мелкие ворсинки ткани собирают пыль. Благодаря вашим действиям между пылью и тканью Swiffer формируются межмолекулярные взаимодействия. Некоторые называют это статическим прилипанием, но я называю это химией.

Мой робот-пылесос Roomba – кстати говоря, его зовут Стиви – просто катается по полу и собирает пыль. Его двигатель заставляет вентилятор вращаться, что создает «вакуум» (по правде говоря, это просто область с низким давлением), засасывающий в пылесос молекулы воздуха и пыли. Поступающий воздух фильтруется с другой стороны пылесоса и выходит наружу, при этом пыль и шерсть животных остаются внутри Стиви.

Конечно, мы все прекрасно понимаем, что сначала нужно протереть пыль и только потом пылесосить. Дам один совет: если у вас есть достаточно времени, то протрите пыль и подождите пару минут. Большинство твердых частиц очень легкие, так что какое-то время они могут парить на молекулах газа (азота, кислорода, углекислого газа или аргона) и только потом оседают на пол.

Конечно же, самая «химическая» комната в доме – это ванная. Когда я там убираюсь, у меня возникает непреодолимое желание надеть защитные очки и перчатки, поскольку я понимаю, что мне предстоит работа с сильными основаниями и кислотами. Они намного сильнее «кухонных» молекул, особенно если вы используете мощные чистящие средства. Например, Drano. В виде раствора он содержит гидроксид натрия (основание) и гипохлорит натрия (белизна). Drano – это очень прочное основание, так что никогда не наносите его на голую кожу. Если оно все же попало на незащищенную часть тела, немедленно промойте большим количеством воды, держите поврежденный участок под проточной водой в течение десяти минут.

Но почему химический состав пищевой соды и Drano так отличается? Оба средства являются основаниями и используются в качестве чистящих средств. Тем не менее одно из них можно добавлять в пироги с черникой, а глоток другого может вас убить.

Обе молекулы являются основаниями, и это значит, что в воде их поведение будет одинаковым. Однако гидроксид натрия намного сильнее, чем гидрокарбонат натрия. И это большая разница.

Если основание сильное, то все реагенты превратятся в продукты (другие вещества). Если основание слабое, то только часть реагентов превратится в продукты. Может показаться, что тут нет практически никакой разницы, но именно это определяет эффективность чистящих средств. Но как понять, какое у нас основание – сильное или слабое?

Каустическая сода[10] на вашей кухне

Вы можете найти каустическую соду в кладовой в виде пищевого щелока. Маленькая рекомендация: я обожаю продукты от Modernist Pantry. Они производят множество безопасных средств, которые можно использовать на кухне.

Мой любимый рецепт, в котором требуется щелок, – это рецепт крендельков. Если вы ищете хороший рецепт домашних крендельков, то попробуйте рецепт от Элтона Брауна. Для тех, кто не знаком с работами этого человека: он еще один «ботаник», который просто обожает говорить о науке в приготовлении пищи. И я очень люблю его шоу «Good Eats».

В любом случае существует два разных способа приготовления крендельков: использовать каучуковую соду или пищевую. В обоих способах в тесто добавляется кипящий жидкий раствор, в результате чего оно приобретает желто-коричневый цвет. Добавленная основа разрушает полипептидные цепи в муке теста.

В результате этой реакции образуются маленькие аминокислоты, которые проявляют активность в реакции Майяра – химической реакции, в ходе которой баварские крендели приобретают характерный коричневый цвет и вкус. Чтобы реакция начала протекать, одна аминокислота должна вступить в реакцию с одним углеводом. Так как фруктоза и глюкоза намного меньше сахарозы, они могут вызывать эти химические реакции, вступая в реакцию с крайним атомом аминокислоты.

Тепло духовки способствует разложению внешних молекул, в результате чего образуются сотни новых. Большинство молекул имеют коричневый цвет (как при карамелизации), однако их ароматы отличаются. Поскольку реакция Майяра происходит с участием аминокислот (белков), а не только с углеводами (сахарами), у ароматных молекул чаще всего преобладает «мясной» запах. Благодаря атомам азота аминокислот вкус получается сложнее, чем при карамелизации.

Так как пищевая сода – это слабое основание (слабее каустической соды), химическая реакция между пищевой содой и белками в муке будет протекать не так бурно. Для реакции Майяра будет активировано небольшое количество аминокислот, и именно поэтому крендельки на пищевой соде имеют светлый цвет.

Кислотность основания можно определить с помощью водородного показателя. Возможно, вы знаете его как pH или шкалу pH со значениями от 0 до 14. Это логарифмическая шкала, с помощью которой можно определить, является ли тот или иной продукт осно́вным или кислотным. Когда мы узнаем вид кислоты, мы сможем предсказать, как эта молекула будет вести себя с другими. Если мы говорим о чистящих средствах, то знание этого помогает нам определить, где именно мы будем использовать чистящее средство: на кухне или в ванной.

Нейтральные растворы, например чистая вода, имеют pH 7. У оснований pH всегда выше 7, а у кислот – всегда ниже 7. Чтобы измерить pH раствора, мы можем использовать лакмусовую бумажку или pH-метр. Если окунуть pH-метр в раствор, вы увидите на дисплее число. Лакмусовая бумага, которая является более дешевым методом, просто поменяет свой цвет. Затем вы сможете воспользоваться шкалой pH, где цвет соответствует определенному значению от 0 до 14.

Но что в действительности делает лакмусовая бумажка или pH-метр? Они измеряют концентрацию ионов гидроксония (H_3O+) и гидроксид-ионов (OH-) в растворе. Если pH выше 7, это значит, что содержание гидроксид-ионов (OH-) выше, чем содержание ионов гидроксония (H_3O+), и раствор является основанием. Основания чаще всего встречаются в шампунях, соленых озерах и большинстве средств для уборки.

Как мы уже обсуждали ранее, в зависимости от места, где вы живете, жесткость воды может меняться. Есть несколько исследований, в которых говорится, что употребление обычной чистой воды помогает минимизировать частоту изжоги. В воде таких компаний, как Essentia и AQUAhydrate, содержится большое количество ионов гидроксида, но это не из-за того, что они являются осно́вными. Компании намеренно добавляют минералы в воду, чтобы повысить ее pH. Лично я не переношу вкус водопроводной воды, так что обычно покупаю бутилированную «кислотную», например воду от Dasani и Aquafina. Небольшая пометка: когда питьевая вода достигает желудка, не имеет значения, каково было ее pH… Это только вопрос вкуса!

Конечно, если мы говорим о чистящих средствах, то pH раствора крайне важен. Сильные основания, например гидроксид натрия в Drano, имеют высокое значение pH – около 13 или 14. Именно поэтому в очистителе содержится высокая концентрация ионов. Чем больше в растворе гидроксид-ионов, тем выше будет его pH и тем агрессивнее вещество. Drano действует точно так же, как и лимонная кислота в канализации, только в разы сильнее. Вместо того, чтобы обволакивать минералы, плавно перемещая их по трубам, Drano просто срывает их с труб прямо как молодая девушка с разбитым сердцем срывает фото бывшего со стены.

Пищевая сода и аммиак представляют собой более слабые основания, чем гидроксид натрия. Именно поэтому их значение pH намного меньше, чем у Drano, но намного выше, чем у обычной воды. pH пищевой соды составляет 9, а pH аммиака – 11. Так как шкала pH логарифмическая, существует огромная разница между количеством гидроксид-ионов в растворе аммиака и в растворе гидроксида натрия.

Когда в растворе ионов гидроксония больше, чем ионов гидроксида, раствор считается кислотным. Это означает, что значение pH жидкости будет ниже 7. Примерами таких жидкостей являются уксус, фруктовые соки и томатный сок. Уксусная кислота и лимонная кислота считаются слабыми кислотами, а значение их pH составляет около 3.

Сильные кислоты, например соляная кислота, входящие в состав многих чистящих средств для унитазов, имеют значение pH от 0 до 1. Средства с соляной кислотой работают точно так же, как и другие кислоты, которые мы рассмотрели ранее. Соляная кислота реагирует с пятнами (и бактериями) на грязных унитазах. Она растворяет загрязнения и пятна, разрывая связи внутри молекул. После этого загрязнения легко смываются в канализацию.

Но что случится, если вы возьмете что-то очень кислотное и добавите его к основанию? Давайте представим, что мы решили сделать что-то глупое, например, смешали средство для чистки унитазов (очень кислотную соляную кислоту) с Drano (основание, гидроксид натрия). Когда эти две молекулы встретятся, начнется реакция нейтрализации. Она происходит каждый раз, когда друг с другом взаимодействуют кислота и основание. Свое название реакция получила из-за того, что pH раствора будет близок к 7, что является нейтральным показателем. В нашем примере мы используем сильную кислоту и сильное основание; в ходе химической реакции образуется соленая вода:

HCl + NaOH → NaCl + H_2O

А теперь давайте удалим из нашего уравнения ионы наблюдатели. Они были названы так потому, что они не участвуют в реакции. Мы удаляем их для того, чтобы произошла реакция нейтрализации между сильной кислотой и сильным основанием. Получается следующее уравнение:

H++ OH—→ H_2O

Выглядит как-то знакомо, правда? При смешении сильной кислоты с сильным основанием они нейтрализуют друг друга; получается раствор, состоящий из воды и небольшого количества соли (NaCl). Только посмотрев на это уравнение, я понимаю, почему многие могли подумать, что смешение средства для чистки унитазов с Drano будет отличной идей. В некоторых вещах вы были правы.

Проблема в том, что в каждом чистящем средстве содержится некоторое количество ПАВ, которые ни в коем случае нельзя смешивать друг с другом. В большинстве реакций нейтрализации получаемый раствор представляет собой не обычную воду. По правде говоря, в процессе реакции между слабой кислотой и слабым основанием образуется два (или более) продукта. Просто подумайте о чем-то обыденном, например: уксус + пищевая сода = вулканическая реакция. Мы уже рассматривали этот процесс ранее. Если мы добавим сильное основание или кислоту, то этот процесс станет по-настоящему опасным.

Вы можете удивиться, узнав, что существуют некоторые продукты, называемые буферами. Буферы представляют собой растворы, состоящие из кислоты и основания. Это не какая-то смесь, которую вы можете приготовить на своей кухне; буфер можно получить при смешении слабого основания и сопряженной кислоты или слабой кислоты и сопряженного основания. Помните, что эти молекулы называются сопряженными кислотно-основными парами из-за того, что различие их молекулярных форм заключается лишь в одном протоне. Прямо сейчас в вашем теле есть несколько естественных буферных систем, например фосфатный буфер, поддерживающий нормальный уровень pH в ваших почках и моче.

Буферные системы человеческого тела

Буферы играют огромную роль в регулировании pH нашей крови. Для этого организм использует углекислый газ, который мы выдыхаем, и совмещает его с водой. Продуктом реакции становится угольная кислота (H_2CO_3). Рассмотрим пример:

CO_2 + H_2O ↔ H_2CO_3

Как только образуется угольная кислота, она освобождает один протон, после чего образуется ион гидрокарбоната (HCO_3—):

H_2CO_3 ↔ H++ HCO_3—

В сочетании с предыдущей реакцией эта становится основой гидрокарбонатной буферной системы, поддерживающей в нашей крови pH 7,4.

Например, если вы сделаете что-то, из-за чего в крови повысится концентрация ионов водорода (Н+) (например, при тренировке), то pH естественным образов снизится (не забывайте, что кислоты имеют низкие значения pH). Когда это случается, на мгновение образуется угольная кислота, которая снова распадается на углекислый газ и воду:

H_2CO_3 ↔ CO_2 + H_2O

Затем углекислый газ выталкивается из капилляров в легкие, где газ выдыхается. В ходе этого процесса pH крови возвращается обратно к 7,4.

Если pH становится слишком высоким, это значит, что в плазме крови содержится слишком много ионов гидрокарбоната. Ион гидрокарбоната – это сопряженное основание, а значит, что у него будет высокий pH. В таком случае наше тело реагирует естественным образом: частота нашего дыхания изменяется, чтобы организм мог вернуть углекислый газ из легких в кровоток. Попадая туда, он быстро превращается в угольную кислоту, снижающую pH до нормального уровня.

Буферные растворы – это весьма мощный инструмент в лаборатории, поскольку они устойчивы к незначительным изменениям pH. Именно поэтому они считаются идеальными чистящими средствами для бассейна или джакузи – по правде говоря, я надеюсь, что у меня когда-нибудь будет свой бассейн и джакузи. А сейчас давайте притворимся, что у нас они есть. Чтобы уничтожить бактерии и различные микроорганизмы, при этом не изменяя pH воды, мы будем использовать буфер. Наиболее распространенным буфером является раствор из хлорноватистой кислоты и иона гипохлорита (слабой кислоты и сопряженного основания).

Идеальный буфер должен содержать 50 % слабой кислоты и 50 % сопряженного основания (или 50 % хлорноватистой кислоты (HClO) и 50 % иона гипохлорита (OCl-)). Если соблюсти рецептуру, то буфер будет поддерживать pH воды на отметке 7,52. Это означает, что, если в буфер добавить немного кислоты или основания, pH буфера практически не изменится.

Давайте рассмотрим этот процесс на примере джакузи. Если в воду с буфером попадет инородный предмет слабокислой среды, то основной компонент буфера вступит в реакцию с кислотой, нейтрализуя «угрозу». В данном случае это означает, что ионы гипохлорита (OCl-) вступят в реакцию с ионами гидроксония (H_3O+) в кислоте (акация/мимоза). Когда вся кислота будет нейтрализована, ожидается, что значение pH снизится, но будет близким к 7,5.

Но если в джакузи попадет инородный предмет щелочной среды (мыло для рук), то основной компонент буфера ничего не сможет сделать, чтобы минимизировать изменение pH. Кислотная часть буфера вступит в реакцию с основанием, пытаясь нейтрализовать его. В данном случае хлорноватистая кислота (HClO) вступит в реакцию с ионами гидроксида (OH-) из основания (мыла для рук). Ожидается, что во время этого процесса pH немного изменится, но в конце концов pH воды будет близким к значению 7,5.

А теперь давайте представим, что на ваш задний двор пробрался саботажник и вылил в джакузи тонну белизны. Если бы произошла такая ситуация, то хлорноватистая кислота в воде продолжала бы взаимодействовать с гипохлоритом натрия до тех пор, пока вся хлорноватистая кислота не израсходуется. Когда это случится, pH воды начнет резко увеличиваться со значения 7,52 до 12 или выше.

С другой стороны, если этот козел добавит в ваше джакузи аккумуляторную кислоту, то ионы гипохлорита будут вступать в реакцию с кислотой до тех пор, пока не останется ни одного иона гипохлорита. В таком случае pH воды резко упадет со значения 7,52 до 2 или ниже. Если с вашей джакузи произойдет любая из этих ситуаций, то оно будет выглядеть грязным, из-за чего вам придется добавить в воду много буфера (ну, или купить новое джакузи).

Я понимаю, что это логично, но буферы – это не волшебная таблетка. Они не могут противостоять большому количеству кислых или осно́вных инородных веществ, а хорошо справляются только с небольшим количеством молекул. И это приводит нас к концепции буферных емкостей. Как я уже упоминала ранее, у идеального буфера соотношение слабой кислоты и сопряженного основания (или слабого основания и сопряженной кислоты) составляет 1:1. При таком соотношении буфер может справиться с большим количеством кислоты или основания.

Буферы продолжают справляться со своими задачами до тех пор, пока соотношение кислот и оснований остается в диапазоне от 1:1 до 1:10. Но если соотношение состава будет больше или меньше указанного диапазона, то буферы перестанут работать и pH воды резко изменится, как только в воду попадут очередные кислоты или основания. Обычно это очевидно: потому что вода меняет свой цвет, а иногда у нее появляется неприятный запах. Все это – верный признак того, что пришло время очистить воду в вашем джакузи или бассейне.

Мне нравится сравнивать буферную емкость с употреблением алкоголя. Представьте себе первокурсника, который еще не понял свой предел. В восемнадцать лет ему, вполне возможно, достаточно одного или двух шотов, чтобы потерять контроль над собой. После третьего шота его страсть к алкоголю снижается, и алкоголь начинает влиять на основную человеческую функцию. На четвертом или пятом шоте сознание бедного ребенка затемняется, и… и человек больше не может продолжать пить. То же самое с водой и буфером – буфер не может противостоять большому количеству кислоты или основания.

В случае с бассейном или джакузи буфер остается в воде до тех пор, пока не вступит в реакции со слишком большим количеством инородных предметов или веществ (к примеру, с бактериями) в слабокислой или щелочной среде. Рекомендуется проверять уровень хлора и pH два или три раза в неделю, но мне кажется это чрезмерным. Конечно, если вы не душа вечеринок или если вы не живете в дождливых районах. Если вы обитаете в нормальных климатических условиях, достаточно проверять эти показатели раз в неделю.

Возможно, вы в чем-то похожи на моего брата: он настолько разочаровался в своем бассейне, что начал использовать раствор морской воды вместо буферного раствора из хлорноватистой кислоты. Эта система предполагает наличие слабого электрического тока, так что хлорид натрия (NaCl) разлагается на натрий (Na+) и газообразный хлор (Cl_2). Этот процесс называется электролизом, и он используется как внешний источник энергии для электронов, заставляя их двигаться от низкой энергии к высокой.

Когда это происходит, ионы натрия образуют межмолекулярные взаимодействия с водой, в результате чего возникает соленая вода; в это же время газообразный хлор растворяется, образуя упомянутую ранее хлорноватистую кислоту. Если в вашем бассейне нет уровня pH, то соляная ячейка превратит поваренную соль в газообразный хлор, который сразу же создаст белизну – так у вас есть гарантия, что в вашем бассейне не начнут расти водоросли или другая гадость.

Есть еще одна категория чистящих средств, на которую я хотела бы обратить ваше внимание: натуральные чистящие средства. Знаете, обычно на упаковке таких средств написано что-то вроде «без химикатов» или «натуральный состав».

Во-первых, химия есть везде. Если в веществе, предмете или чем-то еще есть хотя бы один атом, это химическое вещество. А из первой главы мы знаем, что атомы есть у всего.

Во-вторых, обычно натуральное чистящее средство является молекулой какого-то растения. Но это не гарантирует, что оно будет намного лучше (или хуже) средства, полученного синтетическим путем. Если посмотреть на ситуацию с химической точки зрения, то в большинстве чистящих средств содержатся молекулы, являющиеся либо основанием, либо кислотой. А люди, утверждающие, что они используют силу лимона, просто пользуются кислотными свойствами лимонной кислоты.

Когда я покупаю средство для уборки, я всегда смотрю, чтобы средство было безопасно для окружающей среды. Я не хочу пользоваться чем-то, что содержит фосфаты или выделяет токсичные газы. А еще я не хочу, чтобы в моем средстве содержались какие-либо гранулы, из-за которых уже страдает океан и его жители.

Но если вы принимаете во внимание все эти факторы, то я уверена, что у вас получится выбрать подходящее чистящее средство. А еще я очень надеюсь, что мои попытки запугать вас не прошли даром и вы никогда не будете смешивать два чистящих средства.

Мы наконец-то избавились от ваших (и моих!) домашних хлопот, так что давайте перейдем к тому, что точно доставит нам много радости – счастливому часу!

11. Счастливый час[11] – самый лучший час. В баре

Когда я только решила написать книгу о химии в повседневной жизни, то уже знала, что посвящу одну главу счастливому часу. Однако сейчас, когда я пишу, все бары закрыты из-за пандемии COVID-19. Тем не менее не существует лучше способа закончить свой день, чем в баре с друзьями, рассказывая друг другу смешные истории и заказывая дешевые напитки. В жаркую погоду в Техасе я обычно заказываю кесо[12] с замороженной «Маргаритой», а на свиданиях выпиваю бокал (или два) вина. Мой муж всегда заказывает виски, а затем освежающее пиво. По правде говоря, я не могу дождаться момента, когда жизнь вернется в нормальное русло. Но знаете что? Не важно, какой коктейль вы пьете, так как для создания буквально каждого из них использовалась химия. Давайте начнем с самого основного.

Спирт – это общее название молекулы, в которой атом кислорода связан с атомом водорода и атомом углерода. Например, формула молекулы спирта может выглядеть так: C – O – H. Скажем, метанол – это спирт, так как он имеет молекулярную формулу CH_3OH. Этанол – это тоже спирт, и его молекулярная формула выглядит вот так: CH_3CH_2OH. (Не выделенные атомы водорода связаны с атомами углерода, а не с атомом кислорода.)

В зависимости от темы нашего разговора под спиртом могут подразумеваться несколько разных молекул. Например, в кабинете врача под словом «спирт» имеется в виду медицинский (изопропиловый спирт, или изопропанол). В Азии спирт может использоваться в качестве топлива (метиловый спирт, или метанол). В «Маргарите» спирт – это молекула, которая приводит в состояние опьянения (этиловый спирт, или этанол). В этой главе я буду рассказывать об этаноле.

Ох, мой дорогой, милый этанол… Именно то, как он реагирует и образовывает связи с молекулами в нашем мозгу, объясняет его популярность. Почему после тяжелого трудового дня коллеги идут пропустить по стаканчику, почему алкоголь пьют на первых свиданиях или после расставания. Но процесс его производства не менее интересен и, возможно, не менее удивителен, чем то, почему мы получаем от него такое удовольствие.

Историки практически уверены в том, что люди начали делать вино из винограда еще в 6000 году до нашей эры, а ферментировали фрукты они еще в эпоху неолита. Существует даже гипотеза «пьяной обезьяны», в которой влечение нашего организма к этанолу объясняется действиями наших далеких предков: давным-давно они ели перебродившие (ферментированные) фрукты с большим содержанием этанола, из-за чего у них выработалась зависимость. Другими словами, нам очень нравится вкус и запах яблок или бананов (не из-за того, что это яблоки и бананы, а из-за содержащихся в них полезных веществ); то же самое и с этанолом, который в какой-то момент времени ассоциировался у нашего вида с полезными веществами.

С давних времен люди экспериментируют с ферментацией и отделением молекул этанола от фруктов и овощей, встречающихся в природе. И у нас имеется сильная научная база по этой теме.

Вино, как правило, производится в три этапа. На первом виноград собирается с лоз, а затем давится, чтобы выделился сок. Устройства, выполняющие эту работу, действуют деликатно: они применяют достаточное давление, чтобы разорвать кожицу и выдавить виноградный сок (сусло), но недостаточное для того, чтобы раздавить косточки. Затем из сусла удаляются стебли, так как они имеют неприятный горький вкус. Оставшаяся часть на 12–27 % состоит из сахаров, на 1 % из кислот, а все остальное занимает вода. После сусло помещают в определенную емкость (с кожурой или без), и наступает следующий этап, самый важный в виноделии: ферментация (или процесс брожения).

Ферментация – это анаэробный (не требующий кислорода) процесс, в результате которого образуется молекула этанола. Но если во время этого процесса будет присутствовать кислород, то глюкоза начнет образовывать аденозинтрифосфат (как мы уже узнали из главы о фитнесе), а не этанол.

Когда этот процесс происходит без участия кислорода, то дрожжи и сахар вступают в реакцию, образуя этанол. Я уверена, что вы знакомы с этим процессом, если когда-нибудь выпекали хлеб с нуля. Сначала вам нужно активировать дрожжи, оставив их в подслащенной воде. За это время они расщепляют молекулы глюкозы на более мелкие, включая углекислый газ. Именно поэтому спустя какое-то время вы увидите светло-коричневую пену на поверхности воды.

При производстве вина происходит экзотермическая реакция (то есть выделяет тепло), превращающая глюкозу (сахар) и дрожжи в этанол и углекислый газ. Этот процесс показан ниже:

глюкоза + дрожжи → этанол + углекислый газ

Получаемый продукт, чистый этанол, обладает горьким вкусом и чрезвычайно огнеопасен. Если кто-нибудь попытается убедить вас выпить горящий шот, то вежливо откажитесь и отойдите подальше от пламени. Горящий спирт может поджечь не только все здание, но и опалить ваше лицо – вы и глазом моргнуть не успеете.

Но если не поджигать этанол и оставить его ферментироваться дальше, то он превратится в уксусную кислоту (чистящее средство). Какая гадость, да? Именно поэтому виноделам важно остановить процесс ферментации в определенный момент. Иначе вино будет обладать кисловато-уксусным вкусом.

Вкус вина также зависит и от типа дрожжей. Некоторые виноделы используют дрожжи, уже присутствующие на кожице винограда; другие предпочитают использовать дрожжевую закваску.

Закваска представляет собой гигантскую чашу с размножающимися хорошими грибками. Одноклеточные бактерии взаимодействуют с сахарами в сусле и выделяют углекислый газ. В ходе этого процесса образуется наш любимый этанол.

Обычно дрожжевые закваски хранятся в холодном месте и могут быть активными спустя долгое количество времени. Есть истории о старых итальянских бабушках, тайком проносивших свои закваски на трансатлантические корабли и передающих их следующему поколению. И хотя дрожжевые закваски чаще всего используются для хлеба, их можно использовать и для производства алкоголя.

Красные вина ферментируются (другими словами, дрожжи вступают в реакцию с сахарами сусла, производя этанол и углекислый газ) в период от четырех дней до двух недель. Только затем из настойки удаляется виноградная кожица. После этого настойка продолжает ферментироваться еще какое-то время, так что общий период ферментации составляет две-три недели. Белым винам требуется от четырех до шести недель, так как на кожице используемого винограда нет натуральных дрожжей. Иногда виноделы могут прибегнуть к яблочнокислому-молочнокислому брожению, начинающимся на втором этапе.

Яблочнокислое-молочнокислое брожение существует с момента открытия вина как напитка, однако в 1930-х годах Жан Риберо-Гайон точно описал химическую реакцию превращения яблочной кислоты (которая присутствует в большинстве фруктов, включая виноград, и придает кислый привкус) в молочную. Благодаря этому вкус вина становится менее терпким. Насколько я знаю, каждый винодел придерживается своего мнения насчет того, стоит ли допускать данное брожение. Некоторые считают это отличной идеей и добавляют в вино бактерии Leuconostoc oenos, в то время как другие стараются сделать все, чтобы избежать этого этапа.

С тех пор, как человечество изобрело вино, мы начали экспериментировать с процессом изготовления, цветом и вкусом напитка. Историки считают, что первые вина были только красными; затем египтяне обнаружили процесс производства белых вин. Конечно же, в самом начале красные вина имеют светло-красный оттенок, и именно в процессе ферментации на кожице вино приобретает свой глубокий красный цвет и уникальный вкус. Белые вина настаиваются на кожице и виноградных косточках всего лишь несколько часов, после чего сок фильтруется.

Существует еще несколько подкатегорий, в которых соединяются две техники вместе. Например, розовые вина получают из черных сортов винограда, а изготавливают их точно так же, как и белое вино. Производитель настаивает сок небольшое количество времени, так что вино приобретает красивый розовый оттенок. Оранжевое вино, в свою очередь, делается из винограда белых сортов, однако способ производства точно такой же, как и у красного вина. Виноградный сок настаивается на кожице, благодаря чему вино получается холодного оранжевого цвета. Чем дольше сок настаивается, тем темнее его цвет.

В Калифорнии большая часть белых вин (кроме шардоне) ферментируется в емкостях из нержавеющей стали, которые не взаимодействуют с жидкостью внутри. Однако красные вина (а также шардоне) настаиваются в бочках. Глубина вкуса зависит от дерева, используемого для создания бочки. Самыми популярными типами древесины считаются американский и французский дуб, однако могут использоваться даже бочки для бурбона.

На последнем этапе вино начинает созревать и приобретает оттенки вкуса. У каждого винодела этот процесс проходит по-разному. Начинается переливание вина. Итак, бочку ставят на возвышенность, например на стойку. Время от времени ее двигают, однако главной целью переливания является отделить мелкие твердые частицы от самого вина. Эти частицы медленно опускаются на дно бочки, и затем их можно с легкостью выделить из жидкости. Каждая бочка фильтруется по несколько раз.

Процесс фильтрации – это один из основных методов, используемых химиками-синтетиками. В лаборатории мы постоянно фильтруем вещества, растворяя их в жидкости, а затем выделяя все твердые частицы. Когда виноделы переливают вино, делают то же самое, только в огромных масштабах. Во время этого процесса виноделы пытаются удалить твердые частицы и осадок.

В самом конце процесса переливания вино можно осветлить. Винодел добавляет осветлитель, например активированный уголь или желатин, полученный из рыбьих пузырей, который образует межмолекулярное взаимодействие с оставшимися твердыми частицами в вине. Полученные соединения становятся слишком тяжелыми и опускаются на дно бочки.

Когда вино созревает, его разливают по бутылкам и закрывают. У лучших вин практически нет пустого места между жидкостью и дном пробки. Это связано с тем, что если в бутылке есть кислород, то молекулы вина могут окислиться или вступить с ним в химическую реакция. К сожалению, это худшее, что может случиться с бутылкой; у вина появляется приторно сладкий запах, ассоциирующийся у нас со вкусом и запахом пробки.

Если вы когда-нибудь задавались вопросом, почему вино хранится на боку, то вот вам ответ: именно так можно предотвратить окисление вина. Если бутылка лежит на боку, то пробка остается влажной и продолжает защищать напиток от проникновения кислорода внутрь. Но если бутылка хранится стоя, то пробка высыхает, из-за чего молекулы кислорода могут проникнуть внутрь бутылки и испортить вино. Целостность конкретной бутылки вина можно определить по запаху пробки.

Если вино открыть, то сразу же начнется процесс окисления. Именно поэтому вкус вина на первый и второй день будет отличаться. Если вы не выпили бутылку полностью и закупорили ее, то желательно допить вино за три-четыре дня. Но, как мы уже обсудили ранее, все вина очень разные, поэтому вам следует провести небольшой тест на запах (или вкус) подозрительных вин. По правде говоря, через пять-семь дней откупоренные вина лучше всего использовать в готовке.

В последнее время все чаще вино разливают в бутылки с завинчивающейся пробкой. Когда мы с мужем путешествовали в Страну Басков, Испания, на наш пятый юбилей, я спросила об этом сомелье. И он объяснил, что выбор в пользу завинчивающейся пробки связан с процессом старения вина. Если вино нужно выдерживать в течение длительного периода, то скорее всего будет использоваться деревянная пробка, чтобы в вино не попадал кислород. Однако если вино планируют выпить достаточно быстро, как, например, орегонское вино Пино Нуар, то лучше всего использовать завинчивающуюся пробку.

Шампанское и дорогие игристые вина обязательно нужно затыкать пробкой, так как они проходят процесс вторичной ферментации. Во время нее дрожжи снова превращаются в этанол и углекислый газ, но, в отличие от первого процесса ферментации, углекислый газ остается внутри закрытой емкости, а не выходит в атмосферу (как это случается в «традиционных» винах). Этот процесс занимает не меньше двух месяцев и может продолжаться несколько лет. Когда дрожжи умирают, то у игристого вина появляется характерный запах жареного хлеба. После процесса ферментации твердые частицы удаляются, а игристое вино повторно разливается по бутылкам.

Даже самые недорогие игристые вина, в которые углекислый газ накачали (а не использовали тот, который выделился во время ферментации) и хранящиеся под большим давлением, должны затыкаться пробкой. Завинчивающаяся пробка не может выдержать огромного давления внутри, а значит, бутылка в любой момент может «выстрелить» ее.

С другой стороны, завинчивающаяся пробка позволяет игристым винам постепенно выделять углекислый газ в пространство между пробкой и вином. В бутылке все равно есть большое давление, и именно поэтому при открытии бутылки вы слышите хлопок.

Когда мы с мужем путешествовали по Испании, то у нас возникла одержимость кавой – «испанским шампанским». Мы даже завели традицию начинать свидания с бокала кавы. Во время последней встречи с друзьями я рассказывала им о нашей поездке в Испанию; один из моих друзей имеет крайне интересное хобби – он занимается пивоварением, так что у нас завязался очень интересный разговор. Мы начали рассуждать о различиях между виноделием и пивоварением. Конечно, если мы хотим создать смесь вкусной жидкости и этанола, то все процессы приготовления будут похожи.

Как мы уже узнали, для начала процесса ферментации вина используются простые сахара, содержащиеся в виноградном соке. Для производства пива необходимы сложные сахара (к примеру, крахмал из зерен). Однако перед тем, как использовать крахмалы, их нужно разложить на небольшие молекулы. Что же делать?

Мы готовим их.

Но все не так просто, как кажется. Самое распространенное зерно для пивоварения – это ячмень. Он представляет собой маленькие желтые зерна и собирается комбайном с высоких стеблей. Затем ячмень вымачивают в воде около двух дней при температуре 15°C (59°F). За это время он напитывается влагой и разбухает.

На четвертый день зерна ячменя начинают прорастать (хотя некоторым зернам требуется восемь или девять дней). Во время этого процесса вырабатывается огромное количество различных ферментов, начинающих разрушать клеточные стенки зерна. Но часть ферментов сосредотачивается на другом: они превращают крахмалы в сахара, а белки – в аминокислоты. Весь этот процесс можно наблюдать своими глазами, поскольку солод – так называются проросшие зерна – начинает темнеть. Чем дольше прорастают зерна, тем темнее будет солод.

Некоторые пивовары считают, что высушивание – последний этап производства солода – самая важная и ответственная часть. Зерна сушат горячим воздухом (температура около 55°C или 131°F), удаляя из них все молекулы воды. Однако иногда их сушат и при температуре до 180°C (356°F) – все зависит от того, какой солод мы хотим получить. Так что не расстраивайтесь, выбор просто огромный! Приготовленный при низких температурах солод обладает высокой ферментативной активностью и называется светлым солодом; приготовленный при высоких температурах солод обладает низкой ферментативной активностью, глубоким, насыщенным вкусом и называется темным солодом. Темный солод не теряет свой жареный, карамелизированный вкус даже в том случае, если его хранят несколько месяцев.

На следующем этапе солод измельчают до состояния мелкого порошка, после чего пивовар активирует упомянутые ранее ферменты, замочив полученный порошок в воде. Ферменты снова расщепляют крахмалы на сахара, в результате образуя коричневую жидкость. Эта жидкость имеет сладкий вкус и называется суслом.

Затем полученное сусло кипятят с хмелем, благодаря чему оно приобретает глубокий горький вкус. Для тех, кто не знает, что такое хмель, – это небольшое зеленое растение, плоды которого напоминают пушистую ежевику. Процесс кипячения занимает около девяноста минут; за это время сусло впитывает в себя уникальные ароматы, а также в нем убиваются все активные ферменты. Некоторые считают, что долгое кипячение нужно только для того, чтобы сделать вкус пива богаче, но на самом деле все не так. Это делается, чтобы количество молекул сахара в получившемся пиве оставалось постоянным. Иначе ферменты будут постоянно съедать сахар, что будет негативно сказываться на вкусе пива. Затем полученную жидкость охлаждают до 10°C (50°F), после чего начинается мой любимый этап – ферментация.

Процесс ферментации пива очень похож на ферментацию вина: в сусло добавляются дрожжи, преобразующие сахара в этанол. Главное и единственное отличие в том, что пивовары называют этот процесс верховым или низовым брожением. С помощью верхового брожения производят эли, а с помощью низового – лагеры.

Давайте сначала поговорим об элях. В процессе приготовления в сусло, варящееся при высоких температурах, добавляют элевые дрожжи. Один из видов элей – индийский пейл-эль или IPA – несколько лет назад приобрел высокую популярность в США. В этом пиве, как правило, содержится большая концентрация этанола, а во вкусе преобладает горечь. Обычно пейл-эли, например эль марки Sierra Nevada, содержат небольшое количество спирта из-за короткого срока ферментации. Но оба этих пива производятся с помощью верхового брожения, когда дрожжи с суслом смешиваются при высоких температурах.

Существует особая категория пейл-элей, называемая SMaSH IPA. Дело в том, что этот эль изготавливается из одной части хмеля и одной части солода (то есть пиво является односолодовым и однохмелевым). Я узнала о таком эле летом 2020 года, когда местная пивоварня в Остине назвала новое пиво в мою честь (Kate la Química). Тогда они использовали экспериментальный хмель и доверили мне наблюдение за каждым этапом процесса создания пива. Я была в раю.

Другой вариант – смешение лагерных дрожжей с суслом при низких температурах. Дрожжи слипнутся между собой, опускаясь на дно, так как образованные молекулы тяжелее элевых дрожжей.

Я никогда не пойму, почему они не назвали эти процессы ферментации горячим и холодным брожением. Так или иначе, в США большинство пивоваров используют холодное/низовое брожение, так пиво получается с «хлебным» вкусом. Поскольку в лагере содержание спирта очень низкое, данный вид пива всегда был и остается лучшим вариантом для новичков, например Budweiser и Coors.

Моим любимым пивом является пшеничное пиво, и оно может быть приготовлено как с помощью верхового, так и с помощью низового брожения. В американской пшенице хмельной вкус чувствуется сильнее, чем в немецкой, поскольку в ней не используется штамм дрожжей Weizen. Именно поэтому пиво на немецкой пшенице обладает менее горьким вкусом с фруктовыми нотками (и, как по мне, это пиво намного вкуснее).

Последний этап – фильтрация пива, и он во многом похож на процесс фильтрации вина. В пиво добавляются осветлители, которые образовывают связи с белками. Именно на данном этапе пиво фильтруется от остатков дрожжей.

В отличие от вина, пиво не нужно хранить в горизонтальном положении или закупоривать пробкой. Его нужно хранить в прохладном темном месте. Солнечный свет негативно влияет на напиток, разрушая связи в ароматических молекулах, из-за чего в пиво может выделиться сера. Это именно то, что вы чувствуете в «вонючем» пиве. Интересный факт: коричневое стекло может поглощать часть солнечного света и защищать пиво. А вот зеленое стекло не защищает от солнечных лучей, именно поэтому чаще всего пиво разливается по темным бутылкам.

Конечный продукт – пиво – состоит на 90 % из воды, 2–10 % углеводов и 1–6 % спирта. Как вы могли заметить, состав разных видов пива отличается. Именно поэтому мы используем термины градус или крепость алкоголя. Градус выражается в процентах алкоголя по объему, что является термином концентрации, который сильно меня раздражает. На самом деле должен быть указан процент содержания этанола по объему.

Изначально термин крепость использовался в Англии как способ применения налогов к другим алкогольным напиткам в сравнении с пивом. Алкогольный напиток посыпали порохом, а затем поджигали. Если он начинал гореть специфическим голубым пламенем с постоянной скоростью, то считался качественным алкоголем. Но если напиток не воспламенялся, это значило, что в нем содержалось небольшое количество молекул этанола. Если порох сгорал слишком быстро, это означало, что в алкоголе содержалось слишком большое количество молекул этанола – то есть напиток очень крепкий.

В настоящее время наиболее распространенным способом указания содержания этанола является градус. Если в США на бутылке алкоголя указана крепость алкоголя, то просто разделите указанное число пополам, чтобы узнать процент спирта. Национальный институт злоупотребления алкоголем и алкоголизма сообщает, что крепость пива объемом двенадцать унций (примерно 340 грамм) составляет около 5 %, так что в дальнейшем мы будем использовать это число. Для сравнения: крепость среднего бокала вина (150 грамм) колеблется от 12 до 18 %. А в саке содержание этанола достигает 20 %!

Почему? Дело в том, что саке является наполовину вином, а наполовину пивом. Его производство похоже на производство вина, однако для создания напитка не используется виноград или другие фрукты. Саке, как и пиво, делают из зерна; только в данном случае используется рис. В процессе ферментации добавляется сладкая плесень, которая расщепляет рисовый крахмал на сахара. В то же время к опаре добавляют дрожжи, которые вступают в реакцию с сахарами и образуют этанол.

Но, в отличие от пива, данный метод ферментации позволяет получить жидкость крепостью 20 %. Одна из причин, почему саке крепче пива: в процессе ферментации к опаре постоянно добавляют пропаренный рис. Это важно, потому что плесень, используемая для образования этанола из сахара, начинает расти именно на рисе.

В сравнении с перечисленными до этого спиртами саке «неженка». В нем нет цветных молекул, содержащихся в винограде или хмеле, которые поглощают солнечный свет. Свет «убивает» саке, негативно воздействуя на молекулы, ответственные за легкий, цветочный аромат напитка. Бутылки из прозрачного или синего стекла, используемые в Японии, также бесполезны против солнечного света. И, что гораздо ироничнее, они защищают напиток слабее, чем бутылки из-под вина и пива.

Именно поэтому рекомендуется выпивать саке сразу, особенно после открытия бутылки. Однако помните, что крепость напитка составляет 20 % и лучше пить его в большой компании друзей.

Пожалуйста, только не предлагайте мне саке. От одного его запаха мне кажется, что я нахожусь в лаборатории; настолько в нем велико содержание спирта.

У меня точно такая же реакция на водку, которая представляет собой просто разбавленный этанол. Одна из самых крепких водок, Spirytus, производится в Польше. Ее крепость составляет 192 градуса или 96 % спирта. Я даже за деньги не стану ее пробовать.

Обычно крепость водки составляет 80 градусов или 40 %. Дело в том, что вся водка проходит одинаковый процесс очистки. Как и в случае с вином, саке или пивом, процесс производства водки начинается с ферментации; однако есть один дополнительный этап – дистилляция. Это важная часть производства спиртных напитков, так как очень часто в основе водки содержится опасная молекула метанол.

Молекулярные формулы метанола и этанола практически идентичны, однако их влияние на организм очень отличается.

Когда мы пьем этанол (CH_3CH_2OH), то пьянеем. Когда мы пьем метанол (СН_3OH), мы теряем зрение[13]. Метанол превращается в муравьиную кислоту, которая угнетает зрительный нерв и вызывает слепоту. Слышали когда-нибудь выражение ослепнуть от пьянства? Теперь вы знаете, откуда оно взялось.

Благодаря учреждениям вроде Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов нам не нужно волноваться о метаноле в наших напитках. Однако во время сухого закона многие химики – бутлегеры – начали гнать этанол на своей кухне. Проблема в том, что у большинства «химиков» не было научного образования и глубоких познаний в этой области, и они заодно производили и метанол, тем самым вызвав эпидемию слепоты. Так что дважды подумайте, прежде чем согласиться выпить с приятелями водку непонятного происхождения.

Употребление большой дозы метанола приводит к токсическому отравлению и смерти. Именно поэтому водку (а также виски, скотч, текилу и ром) всегда перегоняют. Чтобы очистить водку, полученную из ферментированных зерен (картофеля или сорго), из нее удаляют дрожжи; остается только смесь этанола и метанола. Затем эту смесь медленно нагревают при разных температурах в течение определенного времени.

В самом начале смесь нагревают при температуре 65°C (149°F), так что весь метанол выкипает и испаряется. Это позволяет производителю удалить метанол из напитка.

Затем температура повышается до 78°C (173°F), чтобы можно было собрать этанол из образца. Когда пары́ этанола покидают спиртовой раствор, они поднимаются по странной стеклянной трубке – конденсатору. Конденсатор превращает газообразный этанол в жидкий, после чего тот стекает в другую емкость.

Этот процесс повторяется еще два раза: наливается этаноловая смесь (с небольшими примесями метанола), включается источник тепла, а затем газообразные молекулы метанола поднимаются на поверхность смеси и испаряются (когда достигается температура кипения метанола).

Процесс перегонки не только очищает спиртовую смесь, но также и увеличивает концентрацию этанола в ней. Но если после перегонки 40 % объемной доли – это спирт, то на что приходятся оставшиеся 60 %?

Вода.

Это значит, что во время употребления водки вы на самом деле пьете воду. Ладно, шучу. Это значит, что вы выводите воду из организма. Именно поэтому люди сталкиваются с похмельем, если выпивают слишком много.

Тем не менее этанол в водке всегда смешан с водой – так как две эти жидкости хорошо смешиваются, между атомами кислорода в воде и атомами водорода в этаноле (а также наоборот) образуются водородные связи. Если жидкости не смешиваются, то они образуют два слоя: например, вода и масло. К счастью, большая часть ингредиентов для коктейлей смешиваются и с этанолом, и с водой.

Если вы когда-нибудь пробовали коктейль Б-52, то знаете, что ликеры можно налить так, что они не смешаются (сначала кофейный ликер, затем сливочный (обычно это Бейлис), а сверху – Grand Marnier). Просто хороший пример того, как работает плотность жидкостей.

Я готова к любым экспериментам и дегустациям, но есть один алкогольный напиток, который… я просто не могу заставить себя попробовать его. Я говорю об абсенте. Недавно я со своим менеджером посещала устричный бар в Бруклине, и там продавали абсент. Официантка уговаривала нас попробовать, в то время как я пыталась вежливо сказать ей: «Нет, ни за что на свете!»

Так как абсент не был правильно классифицирован как алкогольный напиток во многих странах, он может обходить некоторые правила в отношении алкоголя. В отличие от других напитков, например бренди или джина, абсентом может называться множество напитков, так как во всех странах (кроме Швейцарии) абсент не был легализован как спирт. Это еще одна причина, почему вы можете найти его с содержанием алкоголя от 45 до 70 %.

В основном абсент производится из трех растений: полыни, фенхеля и аниса. Полынь имеет горький вкус, и это одна из причин, почему обычно абсент льют через кусок сахара. Иногда сахар поджигают (на самом деле это горят пары спирта), из-за чего у напитка с абсентом появляется горелый вкус и запах – еще одна причина, почему я не хочу его пробовать.

Прежде чем я расскажу вам о производстве абсента, позвольте рассказать немного слухов о самом напитке. Нет, абсент не является галлюциногенным или психотропным веществом. Все рассказы о том, что он вызывает галлюцинации или повышает агрессию, обычные страшилки. С научной точки зрения нет никаких предпосылок, почему абсент может вызывать подобные психические расстройства организма.

Но на практике семьдесят пять лет люди считали, что молекула туйон заставляет людей совершать необдуманные поступки. Считалось, что туйон угнетает нервную систему и вызывает судороги. Также считается, что негативное отношение к абсенту сложилось из-за того, что туйон также содержится в масле полыни. Однако, как выяснилось позже, доктор Валантен Маньян, обнаруживший связь между туйоном и абсентом, был человеком непьющим и выступал за запрет употребления алкоголя во Франции.

Как и следовало ожидать, последние исследования доказали, что в образцах абсента XX века практически невозможно обнаружить молекулы туйона. Мы никогда не узнаем, как доктору Маньяну удалось убедить весь мир в «опасности» абсента. Но именно он пустил слух, который абсенту до сих пор не удалось развеять.

Так как Швейцария – это единственная страна, давшая верное определение абсенту, давайте поподробнее рассмотрим процесс производства этого напитка именно там. В Швейцарии абсент производят путем замачивания аниса, полыни и фенхеля в растворе 96 % этанола. Этот процесс называется мацерацией: растения впитывают в себя этанол через полупроницаемую мембрану. К тому же этанолу передается цветочный аромат трав.

Затем проводится дистилляция, которая ничем не отличается от перегонки водки. В результате крепость «настойки» снижается до 70 %. Некоторые производители добавляют чуть больше воды, чтобы снизить крепость еще сильнее. После этого абсент снова проходит процесс мацерации, однако в этот раз используются другие травы: мелисса, иссоп и полынь. Это похож на заваривание чая, только в конечном продукте будет большое содержание хлорофилла. Именно благодаря ему абсент приобретает свой традиционный зеленый цвет.

Да, всего несколько глотков абсента, как и любого другого крепкого напитка, могут негативно повлиять на организм. Высокий уровень содержания спирта способен вызвать серию химических реакций, влияющих на функционирование органов. Дело в том, что наше тело метаболизирует алкоголь не так, как пищу. Сначала этанол всасывается в вены тонкого кишечника, после чего перемещается сразу в печень. (Именно поэтому проверяется уровень алкоголя крови при вождении в нетрезвом виде.)

Как только этанол достигает печени, фермент алкогольдегидраза (или АДГ) разрывает две ковалентные связи в молекуле этанола (С_2H_5OH). Этот процесс называется частичным окислением этанола, в результате образуется ацетальдегид (СH_3СHO). Скоро вы начнете ненавидеть ацетальдегид, а пока что знайте, что он быстро превращается в ион ацетата (CH_3CHO—).

Затем появляется другой фермент, альдегиддегидрогеназа, который расщепляет ион ацетата на углекислый газ и воду прежде, чем мы выдохнем углекислый газ. Звучит достаточно безобидно, правда? Если бы вы ничего не понимали в химии, то это все напоминало бы процесс переваривания пищи желудком.

Итак, в чем же состоит химия опьянения? Что же такое содержится в этаноле (CH_3CH_2OH), что всего лишь после нескольких стаканчиков у меня появляется огромное желание надеть ковбойские сапоги и станцевать техасский тустеп? И почему при употреблении алкоголя натощак мы быстрее пьянеем?

Во-первых, после приема внутрь этанолу требуется всего лишь пять минут, чтобы достигнуть мозга. Через еще пять минут у вас появится чувство легкого опьянения. Этого времени достаточно, чтобы ваш мозг начал взаимодействовать с этанолом и высвобождать дофамин. Дофамин действует как нейротрансмиттер или молекула, передающая сигналы от одного рецептора к другому. Когда мы пьем алкоголь, наш мозг выбрасывает в кровь молекулы дофамина. Они заставляют человека чувствовать «счастье». Однако, как мы уже обсуждали в главе о фитнесе, ряд исследований показал, что молекулы дофамина не заставляют человека заняться чем-нибудь. В данном случае дофамин сигнализирует о положительных аспектах какого-либо действия, к примеру употребления алкоголя. Именно поэтому люди считают, что дофамин связан с удовольствием.

Этанол взаимодействует с нашими натриевыми, кальциевыми, калиевыми каналами и взаимодействует с другим нейротрансмиттером в нашем мозгу, гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК). Это подавляет активность мозга, что сразу отображается на поведении выпившего человека. Именно из-за ГАМК у пьяных людей наблюдается несвязная речь и неуклюжесть в движениях. Не путайте с плохими танцами, которые постоянно ассоциируются с ABBA[14].

Кроме ГАМК, этанол нарушает работу другого нейротрансмиттера. Глутамат – это важная молекула, играющая огромную роль в том, как именно наш мозг создает воспоминания и изучает новые вещи. Когда движение глутамата замедляется или останавливается, пьяный человек с трудом усваивает новую информацию или создает новые воспоминания. Я вам клянусь, у некоторых людей как будто есть какие-то блокаторы глутамата, потому что они ничего не помнят даже после одного или двух стаканов. Поразительно. Именно это может случиться с вами после ночной попойки.

Благодаря трем перечисленным факторам мы можем видеть пьяных людей в состоянии эйфории, спотыкающихся о собственные ноги и ничего не помнящих на следующее утро. И, конечно же, все зависит от количества выпитого.

Дозировка этанола в человеческом организме называется содержанием алкоголя в крови (САК). САК – это число, которым обозначается процент этанола в крови. Управление транспортным средством допустимо только в том случае, если содержание алкоголя в крови не превышает 0,08. Дело в том, что человек начинает ощущать себя опьяненным, когда содержание алкоголя в крови колеблется от 0,09 до 0,18.

При САК 0,19 и выше сознание начинает путаться. В большой степени это связано с тем, что глутамат блокирует способность мозга создавать новые воспоминания. На данном уровне САК отсутствует четкая координация движения, так как за это отвечает нейротрансмиттер ГАМК. Если вы когда-нибудь теряли сознание от выпитого, то, скорее всего, уровень САК был выше 0,19.

Когда уровень САК превышает 0,25, у человека могут наблюдаться симптомы алкогольной интоксикации. И на данном этапе все становится очень серьезно: в таком состоянии человек может захлебнуться рвотными массами и умереть.

Если каким-то образом уровень САК достигнет 0,35, человек может впасть в кому. Возникают нарушения дыхания и сердцебиения. При САК 0,45 существует высокий (практически гарантированный) риск смерти. Мозг не сможет функционировать нужным образом, из-за чего ваше тело не справится с такими простыми вещами, как дыхание. При всем этом шведские власти заявляют, что у одного из жителей страны САК составляет 0,545!

Просто представьте, каково это. Предположим, что в среднем в человеческом теле есть пять литров крови. САК, равный 0,545, тогда будет указывать на то, что в крови содержится унция (почти 30 грамм) чистого этанола. Это то же самое, что иметь 2,5 унции (70 грамм) водки в крови! Когда у пьяного водителя берут кровь, это делается для того, чтобы в лаборатории можно было определить количество этанола в крови человека.

Но если для определения САК нужен образец крови, то каким образом полицейские определяют количество этанола у случайных водителей?

Ну, у них есть только один вариант.

Они используют алкогольно-респираторную трубку. Большинство этих устройств преобразуют пары этанола (CH_3CH_2OH) в вашем дыхании в уксусную кислоту (CH_3COOH) всего за несколько минут. Мы уже обсуждали этот процесс ранее, когда говорили о пиве: если пиво перебродит, этанол превратится в уксусную кислоту.

Так как в нашей атмосфере не содержится уксусная кислота, результат алкотестера будет связан с количеством этанола в вашем организме. Именно так алкотестер может быстро и точно определить уровень САК.

По правде говоря, карманные алкотестеры, которыми пользуются полицейскими, не очень точны, так что их показания нельзя использовать как доказательство в суде. Тем не менее они все еще справляются с поставленной задачей, и их показания можно использовать для вашего ареста. Затем полицейский отвезет вас в больницу, чтобы взять образец крови.

Алкотестеры свободно продаются в магазинах и аптеках, поэтому каждый желающий может купить его и проверить себя после нескольких шотов в баре. Если ваш САК выше 0,08, то вам нужно вызвать Uber или Lyft (или своего друга), чтобы добраться до дома. В наше время очень легко найти альтернативный способ попасть домой; не нужно подвергать риску свою жизнь и жизни других людей. После нескольких «Маргарит» ГАМК работает против вас.

И хотя в моменте нарушения работы нейротрансмиттеров кажется забавными и смешными, на следующее утро вы можете почувствовать себя просто отвратительно. Похмелье является худшей частью попойки с друзьями. Но кроме сильного обезвоживания вы столкнетесь еще кое с чем: ферменты вашей печени активно расщепляют этанол, из-за чего в ней начинает копиться та молекула, о которой я уже говорила ранее, – ацетальдегид.

По сути, ацетальдегид – это промежуточное соединением в синтезе других веществ, в основном иона ацетата, который распадается на углекислый газ и воду. Однако этот процесс занимает определенное время. Токсичная молекула ацетальдегида копится в вашем организме на протяжении нескольких часов (после того, как будут расщеплены все молекулы этанола), прежде чем она начнет распадаться дальше.

Особенно это касается носителей мутации гена алкогольдегидрогеназы. У этой группы людей этанолу требуется совсем немного времени, чтобы превратиться в ацетальдегид; однако после их организм пытается преобразовать ацетальдегид в ацетат ион. Если такое случается, то все тело покрывается красными пятнами. Пятна могут появиться как сразу, так и через некоторое время и являются верным признаком того, что наступает похмелье.

Самая противная часть похмелья – потеря электролитов при выведении алкоголя из организма. Электролиты (или минералы, я рассказывала о них в главе о завтраке) можно разделить на два типа: катионы (положительно заряженные ионы) и анионы (отрицательно заряженные ионы). Основными катионами в нашем организме являются кальций, магний, калий и натрий, а анионами – хлорид, бикарбонат и гидрофосфат. Как правило, в нашем организме поддерживается соотношение обоих типов электролитов 1:1.

В обычное время наши почки, чтобы поддерживать нужную концентрацию каждого типа электролитов. Это очень важно, поскольку электролиты регулируют pH нашей крови, а также отвечают за сокращение мышц (к примеру, сердца). Однако в «счастливые часы» наши почки работают на пределе своих возможностей. Почему?

Этанол – это мочегонное средство, следовательно, вы будете часто хотеть в туалет. Каждый раз из вашего организма будут выходить необходимые организму электролиты. Именно поэтому утром лучше выпить Gatorade (серия изотонических напитков, производимых PepsiCo), а не съесть блинчики с шоколадной крошкой. Изотонический напиток – это быстрый и недорогой способ восполнить запасы калия и магния, необходимые для борьбы с усталостью и болью, вызванной от чрезмерного употребления алкоголя.

Хотите знать, как победить похмелье? Будьте ответственным взрослым. Перед тем, как выпить алкоголь, «увлажните» свое тело. Вам также нужно не только пить, но и есть обычную еду; таким образом, сначала этанол пройдет через вашу пищу и только потом попадет в кровоток. В данном случае сложные углеводы, которые мы обсуждали в прошлой главе, например картофель или кукуруза, будут действовать как физический барьер, замедляющий всасывание этанола в кровь. Так что не забывайте про еду!

Итак, что нового мы узнали? Весь алкоголь – это результат брожения, а все алкогольные напитки – результат брожения и перегонки. Виноделы с трепетом относятся к яблочной кислоте, а пивовары ни за что не откажутся от своего сусла. Для большинства из нас совершенно нормально пропустить несколько стаканчиков с друзьями, наесться чили кон кесо, а затем попробовать станцевать техасский тустеп. Только не забывайте, что рано или поздно, но вам придется столкнуться с побочными эффектами от принятия этанола.

12. Конец дня и отдых. В спальне

Уверена, человек, сказавший, что «ночь – это лучшее время», был химиком. Если честно, все самое интересное проходит в вечернее и ночное время. Свет, которым мы наслаждаемся на закате, удовольствие, которое мы испытываем после секса, и свеча, которую вы зажгли для создания атмосферы, – никто не будет отрицать, что ночь обладает особой энергией. И все это благодаря взаимодействию атомов и молекул.

Давайте начнем эту главу с одного из самых прекрасных чудес мира – с заката. Когда солнце уходит за горизонт, земля начинает остывать, поскольку накопившееся за день тепло постепенно рассеивается. Закат и правда поражает воображение: сначала немного темнеет. Если у вас получится выделить немного времени в середине лета, желательно, когда наступают самые длинные дни в году, вы можете увидеть одно из самых удивительных явлений природы: сумеречные лучи. Эти лучи возникают, когда свет отражается от парящих в воздухе частиц или молекул; создается впечатление, будто на Землю направлен огромный прожектор, свет которого пробивается через облака.

Помнится, впервые сумеречные лучи я увидела еще ребенком в коттедже моей семьи в Мичигане. У нас есть маленький домик у небольшого озера с песчаным пляжем; мой папа повесил старый гамак между величественными дубом и кленом. Лежа в гамаке, можно было почувствовать легкий прохладный ветерок, дующий с озера, и услышать шум прибоя. Это было настолько расслабляющее времяпровождение, что я всегда заставала кого-то из родственников отдыхающим на гамаке. Это походило на небольшой кусочек рая. И когда сквозь тучи пробивались сумеречные лучи, это тоже было похоже на рай.

Их также называют «лучи Будды» и «лестница Иакова». Темные и светлые потоки чередуются между собой, создавая причудливые узоры. И каждый уникален, поскольку его форма зависит от положения облаков, солнца и времени суток. Обычно сумеречные лучи можно увидеть вечером, во время наступления сумерек: солнце только-только зашло за горизонт, но часть лучей еще освещает Землю (то же самое случается на восходе, с первыми лучами). Свет падает на планету под определенным углом, благодаря чему можно наблюдать красивые закаты или восходы. Но как это работает?

Из прошлых глав мы знаем, что Солнце посылает на Землю электромагнитное излучение (ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи и видимый свет). Если молекула взаимодействует с магнитными или электрическими волнами, атомы либо блокируют свет, либо искажают его. Но с приближением вечера тени, отбрасываемые облаками и горами, падают параллельно лучам света – вы могли замечать это на примере собственной тени: чем ближе вечер, тем длиннее тень. По правде говоря, если бы вы посмотрели на всю эту картину сверху (например, если бы были астронавтом), то сначала вы бы обратили внимание на черные тени. Однако здесь, на Земле, мы можем видеть только то, как солнечные лучи пробиваются сквозь облака.

Именно поэтому астронавты Международной космической станции (МКС) сделали несколько снимков, чтобы показать нам, людям на Земле, как лучи освещают облака, отбрасывая на землю параллельные тени. Снимки вышли четкими и аккуратными, и на них видно, что у облаков словно есть пылевой хвост, как и у комет.

Как я уже говорила ранее, такие лучи могут образоваться только в случае, если солнечный свет будет рассеиваться небольшими молекулами (например, молекулами азота, кислорода или углекислого газа) и загрязнителями (например, собачьей шерстью, пылью или выхлопными газами), которые обычно находятся в нашей атмосфере. Как и следовало ожидать, в городах с высокой плотностью населения загрязняющих частиц намного больше, чем в городах с низкой плотностью населения; именно поэтому городские жители (вроде меня) считают, что деревенский воздух намного чище. Дело в том, что в деревенском воздухе просто содержится меньше молекул пыли, от которых мои легкие должны очищать кислород.

Когда солнечные лучи проходят через облака под малым углом в тропосфере (самый низкий из слоев атмосферы), траектория света пролегает через вещество в воздухе, из-за чего появляется оптическое явление. На наше счастье, это очень похоже на химию, которую мы обсуждали в «пляжной» главе. Физики используют термин «оптическое явление» для описания всех химических взаимодействий, происходящих в атмосфере. Глупые физики.

Явления вроде радуги, миража или сумеречного луча были объединены в категорию взаимодействий света и материи, которые можно наблюдать невооруженным глазом. Отражение и преломление света также относится к этой категории, и благодаря им мы может видеть поражающие воображение восходы и закаты; давайте немного поговорим о них.

Оптические явления происходят тогда, когда молекулы в атмосфере подвергаются воздействию света с низкой энергией, например инфракрасного излучения (инфракрасное излучение – это самый слабый тип энергии, получаемой от Солнца). Несмотря на то, что инфракрасное излучение считается слабым, мы получаем его в ОГРОМНОМ количестве: оно превышает количество ультрафиолетового излучения в семь раз. К счастью, инфракрасное излучение недостаточно сильное, чтобы вызвать рак кожи (в отличие от ультрафиолетового).

Я уже рассказывала о том, что инфракрасное излучение было открыто в 1800 году Уильямом Гершелем. Думаю, теперь вы поймете происходящую там химию (в конце концов, это последняя глава книги). Если кто-то вдруг забыл, это открытие было сделано еще до того, как ученые обнаружили, что свет имеет форму частиц и представляет собой волну. Однако в данном случае форма волны очень важна. Инфракрасное изучение слишком большое и поэтому не опасно для человека, но в то же время оно довольно маленькое: длина волны составляет от 740 нм до 1 мм. Представьте острие иглы – вот такая по размеру волна у этого излучения. И поскольку этот тип энергии невидим для человеческого глаза, для обнаружения его теплового эффекта Гершелю пришлось использовать термометр и призму.

И хотя мы не замечаем этот свет без прибора ночного видения, мы можем почувствовать его в виде тела. Как я уже упоминала в главе про выпечку, энергия инфракрасного излучения представляет собой обычную тепловую энергию; именно поэтому мы используем ее в наших духовках.

Как и при выпечке, когда молекулы взаимодействуют с инфракрасным излучением, они поглощают энергию и начинают вибрировать. Если кто-то, например, внезапно обольет вас водой, вы подпрыгнете от неожиданности. Именно это и происходит с некоторыми молекулами, которые взаимодействуют с инфракрасным излучением. Они поглощают излучение (в нашем примере это вода), а потом вибрируют (подпрыгивают) из-за избытка энергии, которую только что поглотили.

Некоторые молекулы, например углекислый газ и метан, при взаимодействии с инфракрасным излучением реагируют одинаково. Они вибрируют, а потом происходит что-то удивительное.

В отличие от того, что мы обсуждали ранее про УФ-излучение, когда эти молекулы взаимодействуют со светом более низкой энергии, например с инфракрасным, они могут начать излучать энергию обратно в атмосферу, но в другом направлении. Благодаря этому на нашей планете поддерживается температура, подходящая для выживания человека.

Давайте снова обратимся к примеру с водой. Если кто-то внезапно направит на вас струю воды, то вы, я уверена, отпрыгнете в сторону и вздрогнете. В этот момент вы, вероятно, повернетесь на 10° или 20°, а может, и на все 180° – точно так же себя ведут и молекулы при поглощении инфракрасного излучения.

Новая энергия (вода из шланга) заставляет молекулы вибрировать (подпрыгивать), из-за чего они меняют свою ориентацию в пространстве. Когда молекулы прекратят реагировать на внезапное появление инфракрасного излучения (воды), то начнут излучать энергию в противоположном направлении.

Частицы пыли могут удерживать эту энергию в течение короткого времени, после чего начнут излучать ее обратно в атмосферу. Повторное изучение света будет идти по другой траектории, и если это происходит в идеальных условиях (к примеру, в сумерках), то мы сможем наблюдать лучи солнца, освещающие одно место Земли.

Сумеречные лучи обычно представляют собой белый свет. Он кажется нам бесцветным, поскольку в нем сочетаются все цвета в видимом спектре (если вам кажется это нелогичным, проведите эксперимент: просто направьте призму на солнечный свет, и вы увидите, что он расщепится на все цвета радуги).

Мы используем термин «белый свет» как общий для всего света в области электромагнитного спектра, имеющего диапазон длин волн от 380 до 740 нм. Эта область называется видимой областью, так как ее можно увидеть человеческим глазом. Например, в любом красящем веществе есть часть молекулы, которую наши глаза принимают за определенный цвет. Эта часть молекулы называется хромофором, и она способна поглощать свет любой волны, кроме одной.

Наверное, вы понимаете меня, если часто посещаете окулиста (как это делаю я). В наших глазах есть молекула, в которой также содержится хромофор. Такой молекулой является ретиналь (форма витамина А), и эта прекрасная молекула помогает нам видеть. Когда свет падает на сетчатку глаза, то молекулы сетчатки начинают реагировать, переходя из цис- в транс-конформацию, выпрямляясь. (Не забывайте, что цис-конфигурация образуется, когда атомы располагаются на одной стороны связи, а трансконфигурация образуется, когда атомы располагаются на разных сторонах связи.) Такое передвижение оказывает давление на белок опсин в сетчатке глаза, и запускается процесс, в ходе которого у нашего мозга получается обрабатывать изображения вещей вокруг.

Каждое из этих взаимодействий между сетчаткой и белком реагирует на свет с разной длиной волн. Если длина волны света от 625 до 740 нм, то наши глаза воспринимают его как красный. Волны покороче (590–625 нм) – это оранжевый цвет, затем желтый (565 нм), зеленый (500 нм), голубой (485 нм), синий (450 нм) и фиолетовый (380 нм). Фиолетовый свет обладает наибольшей энергией в видимом спектре, так что длина его волн относительно невелика.

Но если белый свет содержит все цвета видимого света, то почему на закате мы видим комбинации розового, красного и иногда оранжевого цветов?

Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны держать в голове, что длина волны обратно пропорциональна энергии. Световые лучи с длинными волнами будут слабее лучей с короткими. Волны синего света намного сильнее/короче волн красного света, так что они будут рассеиваться интенсивнее.

Давайте проведем аналогию. Представьте, что световые лучи со всеми длинами волн – это попрыгунчики. Мы собираемся с духом и кидаем его на старую кирпичную дорогу. Давайте предположим, что вам нужно сильно постараться, чтобы кинуть синий попрыгунчик (для обозначения синего света) на неровную поверхность. Как и предполагалось, мяч отскочит обратно, но под другим углом и с высокой скоростью.

Теперь давайте аккуратно подбросим красный попрыгунчик (для обозначения красного света). На этот раз вы не вкладываете много сил, поскольку красный свет слабый. Как и синий попрыгунчик, красный изменит свое направление, однако его скорость будет гораздо ниже.

А теперь давайте подумаем над тем, что случится, если мы кинем на дорогу несколько красных и синих попрыгунчиков. Одновременно. В данном случае у синих попрыгунчиков будет больше энергии, чем у красных, и они будут постоянно прыгать из стороны в сторону. В основном человеческий глаз будет замечать синие попрыгунчики, летающие туда-сюда, с небольшими оттенками красного. Такое происходим днем – именно поэтому небо имеет голубой цвет.

Во время заката солнце находится низко над горизонтом, и лучам света нужно преодолеть большое расстояние, прежде чем они достигнут нас. В таком случае солнечный свет взаимодействует с большим количеством молекул, и это приводит к тому, что небо окрашивается в красивые оттенки оранжевого и красного.

Вот что происходит: помните ли вы, что кислород и озон поглощают ультрафиолетовое излучение В и С, разрывая свои связи? Однако ультрафиолетовое излучение А может просочиться, так как оно слишком слабое и не может разрушить ковалентные связи в кислородсодержащих молекулах. То же самое происходит с видимым светом.

Энергия синих и фиолетовых волн очень высока, чтобы они рассеивались такими молекулами, как азот или кислород. Эти волны поглощаются молекулами, а затем молекулы повторно излучают энергию обратно к Солнцу. Оранжевые и красные волны слишком слабы, так что их нельзя поглотить; именно поэтому оранжевые, красные и розовые цвета просто плавают в воздухе, создавая красивые закаты.

В городах с высокой концентрацией загрязняющих веществ в атмосфере синий свет рассеивается еще сильнее, из-за чего в воздухе остается только свет с большой длиной волны (красный). Именно поэтому кошмарные лесные пожары с парящим в воздухе пеплом сопровождаются прекрасными закатами. В некоторых случаях, например, после лесных пожаров в Австралии в 2020 году, небо становится полностью красным, из-за чего создается ощущение, что ты находишься в апокалиптическом мире, как в «Безумном Максе».

Но даже обычный закат во вторник вечером может создать прекрасную картину. Подходящие условия и рассеянный свет формируют красные и оранжевые оттенки неба, и закат может стать живописным фоном для начала прекрасного свидания.

Надеюсь, вы понимаете, к чему я веду. Потому что за тем, как можно создать идеальное настроение для хорошего вечернего времяпровождения, стоит целая наука. Давайте поговорим об афродизиаках. Свечи, шоколад и устрицы – у каждого есть свои предпочтения. Но стоит ли за «химией» реальная химия? Или афродизиаки – это всего лишь миф?

Думаю, ответ может вас удивить. Давайте начнем сначала: афродизиаки, стимулирующие половое влечение, были названы так в честь богини любви Афродиты. Никогда не путайте их с такими вещами, как, например, запах чеснока или неприятный запах тела, которые, наоборот, могут угнетать половое влечение. Такие запахи называются анафродизиаками.

В разных частях света имеются свои афродизиаки. Например, в Мексике это тыквенные семечки, в Таиланде – кровь кобры, а в Колумбии – крабовый смузи. В США самым распространенным афродизиаком считается ароматизированная свеча.

В моем родном городе в Мичигане есть небольшой магазинчик Kalamazoo Candle Company, в котором можно найти свечи на любой вкус: с запахом марокканской розы, дендрария и лемонграсса (мой любимый аромат). И все эти свечи можно использовать, чтобы начать веселую часть вечера. К тому же знание о том, как работают свечи, помогут сапиосексуалу настроиться на нужный лад.

Процесс изготовления свечей прост: сначала фитиль из целлюлозы (хлопка) заливают горячим парафином (воском), а затем свечу охлаждают. Резкое изменение температуры позволяет жидкому парафину затвердеть, благодаря чему вокруг фитиля образуется защитная оболочка.

Сама свеча может изготавливаться несколькими способами. Один из самых распространенных – метод прессования. При данном способе спринклеры разбрызгивают горячий парафин вертикально в морозильную камеру (температура должна быть ниже 25°C или 77°F), где тот мгновенно остывает, превращаясь в твердые капли воска. Затвердевший воск падает на большой лоток. Этот способ похож на небольшую бурю из парафина внутри большого промышленного станка. Выглядит очень красиво.

Затем воск собирается с лотка и прессуется в определенные формы; в ходе этого процесса между неполярными молекулами образуется дисперсионное взаимодействие. Так и получаются классические свечи (с круглым сечением).

Все, что нужно сделать производителям для того, чтобы из обычной свечи получилась ароматизированная, это добавить в жидкий парафин до этапа разбрызгивания несколько ароматных молекул, например 4-гидрокси-3-ме-токсибензальдегид (ванилин). Но поскольку воск состоит из неполярных молекул, в нем мы можем растворять только другие неполярные молекулы. Если мы попытаемся добавить в парафин ароматные полярные молекулы, то они разделятся задолго до того, как мы попытаемся образовался твердый воск.

К счастью, молекулы, используемые в свечах, очень эффективны: нужно добавить пару ароматных молекул, чтобы придать свече аромат. Если должным образом перемешивать, то у вас получится диспергировать в парафине даже самые полярные молекулы. Как только мы зальем фитиль парафином, сможем использовать реакцию горения для освобождения диспергированных ароматных молекул. Именно тогда работать начинает уже афродизиак.

Однако, по правде говоря, наука об афродизиаках и анафродизиаках довольна сомнительна; у нас нет практически никаких доказательств того, что молекулы в устрицах, гранате или шоколаде имеют прямое влияние на наше сексуальное влечение. Считается, что действия афродизиака – это просто результат эффекта плацебо, возникающий, когда люди верят в результат и т. д.

ОДНАКО существует один афродизиак, эффективность которого была научно доказана, – этанол.

Пиво, вино или другие спиртные напитки действительно считаются афродизиаками. Почему? Дело в том, как молекула этанола влияет на ваш мозг. Если вы находитесь в безопасном месте, с человеком, которому доверяете, то этанол позволит вам расслабиться и открыть себя для чего-то нового… например, в спальне.

Конечно же, контекст все еще имеет значение. Алкоголь не всегда приводит нас в «нужное» настроение. Например, когда я выпиваю с коллегами, то у меня не появляется желание пошалить с ними. А вот если я выпью парочку коктейлей с мужем…

Когда дело доходит до афродизиаков, ваше окружение (и компания) имеют большое значение. Ароматические свечи не всегда могут настроить на нужный лад. Однако если партнер смотрит на вас и делает намеки, то ваш мозг все равно сможет получить соответствующие сигналы. Но почему?

Причина в гормонах.

В предыдущих главах я уже говорила о гормонах, однако не стоит их недооценивать. Гормоны – это «возбуждающие» молекулы, которые вырабатываются различными железами в нашем организме. Давайте вспомним предыдущие примеры: ТТГ[15] (гормон, влияющий на щитовидную железу), эпинефрин (гормон, ответственный за выброс адреналина) и кортизол (гормон, ответственный за стресс). Наш организм вырабатывает более пятидесяти различных типов гормонов. Большинство из них являются стероидами (к примеру, кортизол) и пептидами (например, ТТГ), однако часть гормонов – это производные аминокислот (например, адреналин).

Как вы уже знаете из прошлых глав, гормоны обладают множеством разных свойств. Одни лучше всего растворяются в воде (крови), другие – в жирах (липидах). Гормоны могут влиять на наше настроение, сон, и некоторые из них отвечают за ваше возбужденное состояние. Давайте поговорим, например, о тестостероне.

История открытия тестостерона совсем не сексуальна. В 1849 году немецкий зоолог Арнольд Бертольд наблюдал за своими цыплятами. Тогда он заметил, что поведение кастрированных петухов отличается от поведения обычных. И он поступил как ученый: начал проводить эксперименты на шести молоденьких петухах. Он кастрировал четырех из них, а оставшихся двух оставил как есть. Затем ученый стал наблюдать за их развитием.

В ходе эксперимента он заметил, что два нетронутых цыпленка развивались нормально и им было присуще поведение молодых петухов. Они учились кукарекать, демонстрировали сексуальное поведение (пытались топтать кур), а также у них развивались гребни и серьги. У людей эквивалентами гребней и сережек является адамово яблоко, развивающееся у молодых людей в период полового созревания. Что интересно, у остальных четырех цыплят (кастрированные) так и не развились гребни и серьги.

Точнее, не развились до того момента, как Бертольд решил сделать нечто… сумасшедшее. Он взял двух кастрированных петухов и ввел им в брюшную полость семенники. Со временем эти два петуха стали вести себя как обычные. Результат Бертольда приятно поразил; из этого эксперимента можно было сделать вывод, что семенники выделяют в кровоток определенные молекулы, отвечающие за половое созревание петуха. Ученый подтвердил свои догадки во время вскрытия этих двух петухов: вокруг введенных семенников образовались новые кровеносные сосуды.

Тогда Бертольд не понимал, что за это был ответственен гормон тестостерон (главный мужской половой гормон) – молекула, от которой зависят вторичные половые признаки у мужчин: именно из-за тестостерона развивается кадык, растительность на лице, грубеет голос, а мышцы и кости становятся плотнее. В конце концов ученые выяснили, что именно с помощью тестостерона можно предупредить развитие остеопороза.

В 1902 году два английских физиолога, Уильям Бейлисс и Эрнест Старлинг, продвинулись в своих исследованиях чуть дальше; они поняли, что гормоны вроде тестостерона являются чем-то вроде химических мессенджеров. Что-то вроде почты для тела, которая занимается доставкой химических «сообщений» в разные части организма.

Существует множество вещей, которые могут спровоцировать гормональный всплеск. Значительная их часть находится во внешней среде; говоря другими словами, при определенных действиях или условиях активизируются железы, которые с помощью гормонов отправляют «сообщения». Мой любимый гормон – окситоцин, гормон любви.

Окситоцин – это пептидный гормон с молекулярной массой 1007 г/моль. Он представляет собой комбинацию восьми аминокислот, стоящих в определенном порядке. Цистеин – это единственная аминокислота, которая в цепи встречается дважды; из-за этого окситоцин является нанопептидом или цепью из девяти аминокислот. Окситоцин вырабатывается гипофизом, находящимся прямо за переносицей.

Существует несколько триггеров, которые могут заставить ваш организм вырабатывать окситоцин. Например, если ваш партнер обнимает вас или смешит вашего ребенка. В такие моменты, когда мы чувствуем счастье и другие позитивные эмоции, наш мозг вырабатывает окситоцин: именно из-за него мы чувствуем, что нас переполняет любовь. Нет разницы в том, общаетесь ли вы со своей второй половинкой или ребенком; гормон будет вырабатываться в любом случае. Он просто отвечает на чувство любви (и, быть может, создает его). (Уточнение: не путайте окситоцин с молекулой идеального счастья, анандамидом. Анандамид блокирует чувство боли.)

Молекула любви – это очень важный гормон, который также влияет на функции половых органов, а от них зависит как возможность завести ребенка, так и сам половой акт. Мы уже знаем, что при сокращении матки во время родов или стимулирования сосков при грудном вскармливании гипофиз выделяет в кровоток женщины окситоцин. Максимальное количество окситоцина, которое когда-либо получает женщина, приходится на момент родов: тогда уровень окситоцина превышает норму в 300 раз.

Иногда для стимуляции родов женщине могут назначить лекарства с высокой концентрацией окситоцина, например питоцин или синтоцинон. А все из-за влияния окситоцина на матку. Впервые данный эффект был замечен в 1906 году: тогда британский фармаколог сэр Генри Дейл взял гормон из человеческого гипофиза и ввел его беременной кошке, которая сразу родила. Позже Дейл называл окситоцин молекулой «быстрых родов», и с тех пор этот гормон медики используют, чтобы помочь роженицам.

В 1953 году американский биохимик Винсент дю Виньо сделал грандиозное открытие, выяснив структуру и расположение аминокислот в молекуле окситоцина. В качестве доказательства он синтезировал гормон в лаборатории; до него подобное никто не делал. Открытие было настолько впечатляющим, что в 1955 году даже принесло ученому Нобелевскую премию по химии.

Примерно пятнадцать лет назад шведский врач Крестин Увнес-Моберг опубликовала книгу «The Oxytocin Factor», в которой сделала предположение, что окситоцин оказывает на человеческий организм эффект, противоположный реакции «бей или беги». Вместо того чтобы сторониться незнакомцев, гормон заставляет нас доверять другим и чувствовать себя в безопасности. Это подтверждается исследованиями, проведенными на крысах и мышах-полевках (они выглядят как пушистые хомяки). Например, если полевкам ввести окситоцин, ими можно манипулировать и заставить выбрать определенного партнера (если они находятся с потенциальным партнером рядом).

Есть также доказательства, что окситоцин оказывает огромное влияние на то, как мы образуем связи друг с другом (и даже с животными). Например, если мы будем гладить собак, то ученые обнаружат большой всплеск уровня окситоцина. Это будет особенно верно в том случае, если мы будем гладить детенышей: например, к вам на колени заберется маленький щенок. Неудивительно, что подобный всплеск уровня гормона будет наблюдаться и у молодой матери с ребенком. У матери так много «химической» любви к своему ребенку, что в ее организме наблюдается чрезвычайно высокий уровень окситоцина. Знаете ли, молекула любви не просто так получила это название.

Исследователи заметили, что, если взрослые проявляют нежность друг к другу, уровень окситоцина в их организмах резко повышается. Концентрация молекул окситоцина в женском теле начинает повышаться во время прелюдии. Доказано, что женщины, как правило, чувствуют большую привязанность к партнеру, если сексуальный контакт с ним «затягивается», даже до полного проникновения. С химической точки зрения это происходит из-за того, что в нашем организме вырабатывается много молекул окситоцина.

Второй всплеск происходит сразу после оргазма. С физиологической точки зрения это нужно для того, чтобы женщина могла сформировать прочную связь с партнером в том случае, если забеременеет. Это происходит бессознательно, позволяя укрепить связь между двумя людьми.

С другой стороны, мужчины не получают никакого удовольствия во время второго всплеска окситоцина. При этом у них наблюдается повышение уровня окситоцина во время любого сексуального возбуждения; после эякуляции уровень окситоцина постепенно возвращается в норму. Ученые считают, что отсутствие эффекта от второго всплеска гормона связано с тем, что у мужчин нет никаких физиологических причин для формирования прочной связи со своим партнером, так как они не могут забеременеть.

Один из моих любимых экспериментов с окситоцином – эксперимент, проведенный на большой группе гетеросексуальных мужчин, которые состояли в моногамных отношениях. Перед тем, как познакомить подопытных с привлекательной незнакомкой, им капали в нос окситоцин. Затем исследователи давали участникам несколько минут, чтобы гормон смог сформировать связи с окситоциновыми рецепторами. (Не забывайте, что окситоцин – это большая пептидная молекула, так что ей нужно какое-то время, чтобы добраться до нужного места и образовать связь с рецепторами.) Когда исследователи были уверены, что связи сформированы, они начинали эксперимент. Сначала ученые представляли девушке мужчин по одному и смотрели, как близко друг к другу стоят два человека.

Собрав данные о тех мужчинах, которые уже состоят в серьезных отношениях, исследователи вызвали группу мужчин-одиночек. Им тоже закапали в нос окситоцин, а затем по одному представляли девушке. Как и раньше, ученые смотрели на расстояние между двумя людьми во время знакомства; так они хотели определить влияние окситоцина на организм человека.

Результаты эксперимента были таковы: состоящие в отношениях мужчины находились как минимум в десяти или пятнадцати сантиметрах дальше от девушки, чем одинокие. Конечно, в этом эксперименте было немало погрешностей, однако предполагается, что окситоцин в мужском организме позволяет образовать сильную связь между парами. В следующий раз, когда ваш муж решит отправиться на мальчишник, просто капните ему в нос немного окситоцина и крепко поцелуйте – остальное за вас сделает химия!

Если между вами и вашим партнером образована чрезвычайно крепкая связь, то, вероятно, вы проводите много времени в постели. В таких случаях (в зависимости от ваших планов на семью) вы можете воспользоваться химическими реакциями, вызванными другими гормонами, например левоноргестрелом. Иначе говоря, контрацепция.

Левоноргестрел – это большая молекула (стероидный гормон), которая часто используется во внутриматочных спиралях (ВМС). Он близкий родственник тестостерона. Когда левоноргестрел попадает в женский организм, то запускает две основные химические реакции. Во-первых, начинает образовываться густая цервикальная слизь, тормозящая продвижение сперматозоидов в матку. Во-вторых, внедрение ВМС приводит к разрыву связей внутри стенки матки. Из-за этого слизистая оболочка разрушается, а общая толщина матки уменьшается. В таком случае оплодотворенная яйцеклетка не сможет прикрепиться и начать расти. К тому же ВМС физически препятствует сперматозоидам, не позволяя им добраться до случайно выпущенных яичниками яйцеклеток. Отсюда и знаменитая Т-образная форма ВМС. Все эти факторы приводят к тому, что частота отказов гормональной ВМС за год составляет 0,2 %.

Мы можем сравнить гормональную ВМС с медной. Медная ВМС также имеет Т-образную форму, однако вместо гормона левоноргестрела внутри находится медная проволока. После установки ВМС начинает высвобождать катионы меди, которые образуют связи с цервикальной слизью у входа в матку. Тогда начинается выработка спермицидных молекул, которые будут атаковать любые сперматозоиды, которые попытаются проникнуть в матку.

Наиболее популярным средством контрацепции в США являются оральные контрацептивы, в которых также используются гормоны для предотвращения беременности. В отличие от ВМС (которые вводятся на срок от трех до двенадцати лет), противозачаточные таблетки необходимо принимать ежедневно: только так можно поддерживать необходимый уровень эстрогена и прогестагена в женском организме. Итак, женщина должна в одно и то же время каждые двадцать четыре часа принимать суточную дозу гормонов, чтобы поддерживать нужную концентрацию молекул в крови. Гормональные таблетки могут обмануть ваше тело, заставив его думать, что оно беременно. Именно поэтому во время приема таблеток ваш организм автоматически останавливает овуляцию.

К счастью, ученые понимают, что у взрослого работающего человека не получится принимать таблетки в одно и то же время каждый день. Именно поэтому они синтезировали препарат, который можно принимать в разное время (максимальная разница составляет три часа). Однако из-за человеческой ошибки противозачаточные таблетки эффективны только в 91 % случаев. Для сравнения эффективность от использования презервативов составляет 82 %, так как это просто латекс (полимер, который можно получить из стирола), который физически препятствует проникновению сперматозоидов в матку.

Вне зависимости от того, какой контрацептив вы используете, все они состоят из химии; именно так молекулы вызывают определенные химические реакции внутри вашего тела. А что насчет химии, происходящей за пределами вашего тела? Самое время поговорить о сексуальных феромонах.

Феромоны – это крупные молекулы, выделяемые одним животным и влияющие на другое животное. Они были открыты в 1959 году немецким биохимиком Адольфом Бутенандтом. Это тот же самый ученый, который всего двадцатью годами ранее получил Нобелевскую премию за синтез первого полового гормона. Он что-то вроде рок-звезды в мире химии.

В ходе своих исследований Бутенандт установил, что феромоны действуют как гормоны, однако они влияют только на представителей одного вида. Например, если животное А выделяет половые феромоны рядом с животным В, то организм животного В поглотит выделенные молекулы, а поведение животного изменится. Знаете, животное А является кем-то вроде Купидона, только вместо стрел оно использует молекулы.

Именно поэтому иногда феромоны называются экологическими гормонами, так как они представляют собой молекулы, действующие как гормоны вне организма. Подобно гормонам, феромоны могут иметь разную структуру. Некоторые маленького размера, некоторые – большого. Все феромоны являются летучими молекулами, из-за чего при определенных условиях они могут запросто испаряться. Обычно нам не составляет труда обнаружить летучие вещества, так как они имеют сильный запах (к примеру, бензин или жидкость для снятия лака).

Ученые решили назвать эти молекулы феромонами потому, что это слово означает вызов возбуждения; именно это и делают феромоны. Они могут посылать сигналы другим особям, сообщая им о еде, безопасности или желании размножиться. Например, муравьи, чтобы сообщить о местонахождении пищи, оставляют феромоны на пути между колонией и пищей. Собаки тоже выделяют феромон, когда мочатся на пожарный гидрант: так они помечают свою территорию во время прогулок. Даже самцы мышей выделяют половые феромоны, привлекая самок, из-за чего другие самцы становятся агрессивными.

А что насчет людей? Выделяем ли мы какие-нибудь феромоны?

Вопреки расхожему мнению, у людей нет никаких половых феромонов. Но почему все думают наоборот? Дело в том, что в 1986 году Виннифред Катлер выступила с исследованием, в котором утверждалось, что она смогла выделить первый феромон из человеческого тела. В своем исследовании Катлер собирала, замораживала, а затем размораживала «половой феромон» разных людей. После этого она наносила его на верхнюю губу нескольких женщин. Катлер утверждала, что наблюдала реакцию, аналогичную той, которую мы наблюдаем у животных в дикой природе.

Выяснилось, что исследование Катлер – это полная ерунда. Она не смогла собрать человеческий феромон, поэтому просто наносила на губы подопытных разные странные запахи. Включая – только представьте – пот подмышек. Вместо того чтобы собрать феромоны, она собирала пот и наносила его на лица людей.

Отвратительные идеи Катлер до сих пор живы, и они очень популярны в интернете. Это означает, что люди, вбив в поисковую строку запрос о человеческих феромонах, могут получить огромное количество дезинформации. Некоторые исследователи верят, что скоро мы сможем открыть человеческие феромоны. И все же на момент публикации этой книги не было обнаружено ни одного. Ученые провели и скорректировали множество исследований с большим количеством переменных, однако каждая группа пришла к одному выводу: люди XXI века не имеют полового феромона.

Так было всегда? У большинства млекопитающих, например коз и кроликов, есть половые феромоны. Так почему у нас нет?

На удивление, ответ очень прост. Люди научились общаться. Мы можем использовать слова (и свечи… и красивое нижнее белье…), чтобы показать свою заинтересованность в ком-то. В то же время хорькам нужно посылать сигнальные молекулы, чтобы сообщить потенциальному партнеру о своих намерениях.

Прежде чем мы покинем будуар, давайте рассмотрим еще один гормон: вазопрессин. Это большая пептидная молекула, выполняющая множество функций: например, она ответственна за регулирование кровяного давления и поддержание баланса почек. Когда мужчина находится в возбужденном состоянии, его организм выделяет вазопрессин. После оргазма концентрация вазопрессина в крови снизится.

Этот гормон играет большую роль в регулировании циркадного ритма, и предполагается, что именно он вызывает сонливость и ощущение расслабленности. Мы знаем, что концентрация вазопрессина в мужском организме достигает своего пика во время полового акта… и это объясняет, почему после секса мужчина быстро засыпает.

У женщин примерно в это же время появляются побочные эффекты от другого гормона. Происходит так называемое «прояснение разума». Мелатонин – это гормон, синтезируемый из аминокислот. Он был открыт еще в 1958 году, когда американский химик (который впоследствии стал дерматологом) Аарон Лернер изучал способы лечения кожных заболеваний. Проводя эксперименты с железами крупного рогатого скота, он обнаружил мелатонин, представляющий собой небольшую молекулу (по сравнению с другими гормонами, которые мы обсуждали ранее). Эта молекула вырабатывается шишковидной железой (расположенной в эпиталамусе в центре мозга). Сама по себе железа похожа на шишку – именно из-за формы она и получила свое название.

Двадцать лет спустя команда Гарри Дж. Лична в Массачусетском технологическом институте обнаружила, как именно мелатонин влияет на циркадный ритм человека, а также цикл сна и бодрствования. Если вы не знаете, что такое циркадные ритмы, это что-то вроде ежедневника вашего тела. Именно циркадные ритмы определяют, когда именно будут проходить химические реакции в вашем организме. Например, именно из-за циркадного ритма вы чувствуете голод около 18.00, сонливость – примерно в 21.00; затем вы просыпаетесь около 7.00 или 8.00 на следующий день. И именно поэтому вам очень сложно работать в ночную смену (или всю ночь укачивать грудного ребенка).

И это подводит нас к последней дневной деятельности, наполненной химическими веществами: сну.

С химической точки зрения сон – это измененное состояние сознания, когда тело проходит через несколько химических циклов. Вы уже знаете, что у человека во время сна чередуются несколько фаз: быстрого сна (стадия быстрых движений глаз, БГД-сон) и медленного. Один цикл быстрого и медленного сна занимает около девяноста минут, при этом продолжительность фаз быстрого сна увеличивается от общей продолжительности сна.

Быстрый сон не настолько спокойный, как вам кажется. Во время БГД-сна кровяное давление повышается, сердце начинает биться сильнее, а дыхание учащается. Также важно, что в этот момент ваш мозг проявляет высокую активность и производит множество мозговых волн. Это можно сравнить с просмотром ежедневной почты. Мозг стирает любые ненужные воспоминания (нежелательная почта) и сохраняет все важное (счета). Это происходит благодаря движению электронов внутри вашего мозга.

Ваши мышцы расслабляются, и тело оказывается практически парализованным; и это весьма иронично, учитывая, что в вашем мозгу концентрируется большое количество молекул ацетилхолина. Почему? Во время бодрствования эти молекулы отвечают за активацию мышц. Однако из-за недостатка норадреналина, серотонина или гистамина ваши мышцы перестают двигаться, позволяя телу тратить всю энергию на проведение химических реакций в мозгу.

Когда мы погружаемся в глубокий сон (до или после БГД-сна), ваше тело полностью отключается. Нейротрансмиттеры ГАМК (те трансмиттеры, что отвечают за пьяный угар) образуют в мозгу связи, которые подавляют его активность. Именно поэтому человека в медленной фазе сна разбудить намного сложнее, чем человека в быстрой фазе. К сожалению, именно поэтому люди с различными нарушениями иногда ходят или разговаривают во сне. Поскольку активность мозга в медленной фазе сна находится практически на нуле, фразы, которые мы произносим во сне, это бессвязная чушь.

Мой муж еще в начале отношений узнал, что я разговариваю во сне, и тут же начал записывать все мои ночные рассказы. В девяти случаях из десяти я разговариваю о еде или посуде. Иногда «провожу лекции» об атомах и молекулах.

Кажется, я произношу слова нечетко, из-за чего муж не всегда способен понять, о чем я говорю. Может, я рассказываю о рассеивании солнечного света, вызывающего сумеречные лучи, а может, о выбросе окситоцина и вазопрессина во время секса. Но мой тон и жесты всегда понятны. Даже во время сна я хочу, чтобы мир оценил влияние химии на нашу повседневную жизнь по достоинству.

Вы слышали причту о двух рыбах, плывущих по реке? Подплывает к ним старая рыба, говорит: «Доброе утро. Как сегодня вода?» – и уплывает. Через какое-то время одна из двух рыб поворачивается к другой и спрашивает: «А что такое вода?»

Мне эта история нравится тем, что она прекрасно описывает людей и их отношение к химии. Правда в том, что большинство взрослых в последний раз вспоминали о химии в школе или колледже. Не верите? Только 3 % из всех моих студентов получают высшее образование по этой специальности. Когда студенты навсегда покидают кампус, они прощаются и с моим кабинетом, и со всем, что связано с химией. Тем не менее я надеюсь, что доказала им (и вам), что с помощью химии можно объяснить все происходящие вокруг нас явления. Кроме того, она помогает нам понять нашу реальность.

Мы наблюдаем все это на примерах химических реакций, позволяющих нам заблокировать боль или переработать пищу; в полимерах, которые используются в средствах для волос и очистителях; даже в вашем вдохе, который вы только что сделали. Химия затрагивает все аспекты нашей жизни. И если вы посмотрите повнимательнее, то в каждой дисциплине или отрасли – от одежды и косметики до игрушек и фармацевтики – вы найдете химию.

Вспомним высказывание Карла Сагана: «Наука – это способ мышления, а не совокупность знаний». Мы должны задавать вопросы «почему» и «что, если», а затем искать ответы на них до изнеможения. И я надеюсь, что эта книга вдохновит вас на самообразование, изучение чудес микроскопического (и макроскопического) мира; возможно, вы начнете смотреть на окружающую вас реальность критически. Я верю, что вы найдете какую-нибудь тему, которая влюбит вас в химию. И что вы будете кричать об этом из окна своей квартиры, пока соседи не начнут умолять вас замолчать.

Потому что, если вы настоящий, нетерпеливый ботаник, то все – я имею в виду вообще все – возможно.

Благодарности

Я хочу начать благодарственную часть с одной значимой для меня персоны. Прежде всего я хотела бы поблагодарить Мэри Джексон, первую чернокожую женщину-инженера NASA. В моменты сомнений я всегда обращаюсь к вашей истории. Я думаю о вашем упорстве, решимости и самопожертвовании, ведь вы даже отказались от своей мечты. Вы – пример для всех женщин, работающих в STEM. И я обещаю, что сделаю все возможное, чтобы наука стала чуть проще и понятнее для будущего поколения девочек и женщин; я сделаю то же самое, что когда-то вы сделали для меня.

Также я хочу поблагодарить своего «сообщника» и менеджера Гленна Шварца: спасибо, что терпите меня с января 2018 года. До сих пор не понимаю, почему решила ответить на ваш звонок, но я безумно рада, что не проигнорировала вас. Вы подарили мне жизнь, о которой я не могла и мечтать. Никаких «спасибо» не хватит, чтобы выразить всю мою благодарность и признательность.

Хочу поблагодарить команду Park Row HarperCollins за помощь в популяризации химии. Особая благодарность моему превосходному редактору Эрике Имраньи, которая поддерживала меня на каждом этапе написания книги. Эрика, спасибо за терпение, доброту и внесенный вклад. Без тебя эта книга была бы другой. Я узнала много нового. А еще спасибо за то, что помогла мне разобраться с пунктуацией.

Огромное спасибо Бренди Боулз и Меган Стивенсон, которые читали черновики этой книги. Я ценю каждую пометку, все предложения и замечания – без вас эта книга была бы похожа на лабораторный отчет!

Спасибо членам моей компании для игры в «Драконы и подземелья» (Джордан Корбман, Ханна Робус, Олин Робус, Дастин Майерс, Джош Бибердорф) за то, что терпите меня и поддерживаете. Наши еженедельные посиделки принесли Бимпноттин, Лупмоттин, Вейуокет, Ода, Орла, Карамип, Мёринг и Фниппер (имя персонажа, за которого играет автор) столько радости!

Эта книга не вышла бы в свет без любви и поддержки следующих людей: Крейга и Терезы Кроуфорд, Джека и Дорт Кроуфорд, Брендона и Дэни Хьюз, Бриттани Кроуфорд и Лэндона Гамильтона, Кэти и Бекки Зьюз, Кейтлин Чемберс, Чесли Хорад, Келси Мол, Кэти и Смоз, Ким и Иварса Берги, the Scroats, Келли Палсрок, Кэтлин Нолт, Винсента Пекораро, Джона Вульфа, Алана Коули, Саймона Хамфри, Дэвида Вандена, Пола МакКорда, Стейси Спаркс, Дженни Бродбелт, Джен Мун, а также Бетти и Дорта.

Наконец, я хочу поблагодарить моего мужа, Джоша Бибердорфа. Спасибо за твою безусловную любовь и поддержку. Спасибо, что каждый вечер готовил мне ужин и приносил его, пока я была занята написанием книги. Спасибо за массаж спины, кокетливые подмигивания и за то, что заставлял меня улыбаться каждый день. Спасибо, что остаешься рядом даже в самые трудные времена. Ты – мой самый любимый человек на этой планете, и я с нетерпением жду того, что приготовила для нас следующая глава этой жизни. Целую тебя.

Избранная библиография

• Alberts, Bruce, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. Molecular Biology of the Cell. New York: Garland Science, 2002.

• Atkins, Peter, and Loretta Jones. Chemical Principles. New York: W. H. Freeman and Company, 2005.

• The American Chemical Society. Flavor Chemistry of Wine and Other Alcoholic Beverages. Portland: ACS Symposium Series eBooks, 2012. PDF e-book.

• The American Chemical Society. Chemistry in Context. New York: McGraw-Hill Education, 2018.

• The American Chemical Society. Flavor Chemistry of Wine and Other Alcoholic Beverages. United Kingdom: OUP USA, 2012.

• Aust, Louise B. Cosmetic Claims Substantiation. New York: Marcel Dekker, 1998.

• Barel, André, Marc Paye, and Howard I. Maibach, ed. Handbook of Cosmetic Science and Technology. Boca Raton: Taylor & Francis Group, 2010.

• Barth, Roger. The Chemistry of Beer. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2013.

• Belitz, Hans-Dieter, Werner Grosch, and Peter Schieberle. Food Chemistry. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2009.

• Beranbaum, Rose Levy. The Pie and Pastry Bible. New York: Scribner, 1998.

• Black, Roderick E., Fred J. Hurley, and Donald C Havery. “Occurrence of 1,4-dioxane in cosmetic raw materials and finished cosmetic products.” Journal of AOAC International 84, no. 3 (May 2001): 666–670.

• Bouillon, Claude, and John Wilkinson. The Science of Hair Care. Abingdon: Taylor & Francis, 2005.

• Boyle, Robert. The Sceptical Chymist. London: J. Cadwell, 1661.

• Crabtree, Robert H. The Organometallic Chemistry of the Transition Metals. Hoboken: Wiley-Interscience, 2005.

• The Editors of Cook’s Illustrated. The New Best Recipe. Brookline: America’s Test Kitchen, 2004.

• E ˇge, Seyhan. Organic Chemistry. Boston: Houghton Mifflin Company, 2004.

• Feyrer, James, Dimitra Politi, and David N. Weil. “The Cognitive Effects of Micronutrient Deficiency: Evidence from Salt Iodization in the United States.” Journal of the European Economic Association 15, no. 2 (April 2017): 355–387.

• “Foundations of Polymer Science: Wallace Carothers and the Development of Nylon.” American Chemical Society National Historic Chemical Landmarks. American Chemical Society. Accessed March 12, 2020. http://www.acs.org/content/acs/en/education/whatischemistry/landmarks/carotherspolymers.html.

• Fromer, Leonard. “Prevention of anaphylaxis: the role of the epinephrine auto-injector.” The American Journal of Medicine 129, no. 12 (August 2016): 1244–1250.

• Fuss, Johannes, Jörg Steinle, Laura Bindila, Matthias K. Auer, Hartmut Kirchherr, Beat Lutz, and Peter Gass. “A runner’s high depends on cannabinoid receptors in mice.” PNAS 112, no. 42 (October 2015): 13105–13108.

• “Gchem.” McCord, Paul, David Vanden Bout, and Cynthia LaBrake. The University of Texas. Accessed December 20, 2019. https://gchem.cm.utexas.edu/.

• Goodfellow S. J., and W. L. Brown. “Fate of Salmonella Inoculated into Beef for Cooking.” Journal of Food Protection 41, no. 8 (August 1978): 598–605.

• Green, John, and Hank Green. Vlogbrothers’ YouTube page. Accessed May 15, 2020. https://youtu.be/rMweXVWB918?t=75.

• Guinn, Denise. Essentials of General, Organic, and Biochemistry. New York: W. H. Freeman and Company, 2014.

• Halliday, David, Robert Resnick, and Jearl Walker. Fundamentals of Physics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2014.

• Hammack, Bill, and Don DeCoste. Michael Faraday’s The Chemical History of a Candle with Guides to the Lectures, Teaching Guides & Student Activities. United States: Articulate Noise Books, 2016.

• Higginbotham, Victoria. “Copper Intrauterine Device (IUD).” Embryo Project Encyclopedia (July 2018): 1940–5030.

• Hodson, Greg, Eric Wilkes, Sara Azevedo, and Tony Battaglene. “Methanol in wine.” 40th BIO Web of Conferences 9, no. 02028 (January 2017): 1–5.

• Horton, H. Robert, Laurence A. Moran, Raymond S. Ochs, J. David Rawn, and K. Gray Scrimgeour. Principles of Biochemistry. Upper Saddle River: Prentice Hall, Inc., 2002.

• Housecroft, Catherine E., and Alan G. Sharpe. Inorganic Chemistry. Harlow: Pearson, 2018.

• “How Big Is a Mole? (Not the animal, the other one.)” Daniel Dulek. TED Talk. Accessed August 3, 2019. https://www.ted.com/talks/daniel_dulek_how_big_is_a_mole_not_the_animal_the_other_one/transcript?language=en.

• Iizuka, Hajime. “Epidermal turnover time.” Journal of Dermatological Science 8, no. 3 (December 1993): 215–217. https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0923181194900574.

• Karaman, Rafik. Commonly Used Drugs: Uses, Side Effects, Bioavailability and Approaches to Improve It. United States: Nova Science Incorporated, 2015.

• King Arthur Flour. The All-Purpose Baking Cookbook. New York: The Countryman Press, 2003.

• Koltzenburg, Sebastian, Michael Maskos, and Oskar Nuyken. Polymer Chemistry. Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2017.

• Lynch, Harry J., Richard J. Wurtman, Michael A. Moskowitz, Michael C. Archer, and M.H. Ho. “Daily rhythm in human urinary melatonin.” Science 187, no. 4172 (January 1975): 169–171.

• “Making sense of our senses.” Maxmen, Amy. Science. Accessed February 2020. https://www.sciencemag.org/features/2013/11/making-sense-our-senses.

• Marks, Lara. Sexual Chemistry. New Haven, London: Yale University Press, 2010.

• McGee, Harold. On Food and Cooking. New York: Scribner, 2004.

• Moberg, Kerstin Uvnäs. The Oxytocin Factor. London: Pinter & Martin, 2011.

• Nehlig, Astrid, Jean-Luc Daval, and Gerard Debry. “Caffeine and the central nervous system: mechanisms of action, biochemical, metabolic and psychostimulant effects.” Brain Research Reviews 17, no. 2 (May 1992): 139–170.

• Norman, Anthony W., and Gerald Litwack. Hormones. San Diego, California: Academic Press, 1997.

• “Nylon: A Revolution in Textiles.” Audra J. Wolfe. Science History Institute. Accessed March 14, 2020. http://sciencehistory.org/distillations/magazine/nylon-a-revolution-in-textiles.

• O’Lenick, Anthony J., and Thomas G. O’Lenick. Organic Chemistry for Cosmetic Chemists. Carol Stream: Allured Publishing, 2008.

• Oxtoby, David W., H. P. Gillis, and Alan Campion. Principles of Modern Chemistry. Belmont: Brooks/Cole, 2012.

• “Parabens in Cosmetics.” U.S. Food & Drug Administration. Accessed September 14, 2019. https://www.fda.gov/cosmetics/cosmetic-ingredients/parabens-cosmetics.

• Partington, James Riddick. A Short History of Chemistry. New York: Dover Publications, 1989.

• “Periodic Table of Elements.” International Union of Pure and Applied Chemistry. Accessed October 20, 2019. https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/.

• “Pheromones Discovered in Humans.” Boyce Rensberger. Athena Institute. Accessed March 3, 2020. http://athenainstitute.com/mediaarticles/washpost. html.

• Richards, Ellen H. The Chemistry of Cooking and Cleaning. Boston: Estes & Lauriat, 1882.

• Roach, Mary. Bonk: The Curious Coupling of Science and Sex. New York, London: W. W. Norton & Company, 2008.

• Robbins, Clarence R. Chemical and Physical Behavior of Human Hair. New York: Springer Science+Business Media, LLC, 1994.

• Sakamoto, Kazutami, Robert Y. Lochhead, Howard I. Maibach, and Yuji Yamashita. Cosmetic Science and Technology. Amsterdam: Elsevier Inc., 2017.

• Scheele, Dirk, Nadine Striepens, Onur Güntürkün, Sandra Deutschländer, Wolfgang Maier, Keith M. Kendrick, and René Hurlemann. “Oxytocin modulates social distance between males and females.” Journal of Neuroscience 32, no. 46 (November 2012): 16074–16079.

• Scheer, Roddy, and Doug Moss. "Should People Be Concerned about Parabens in Beauty Products?" Scientific American, October 2014, https://www.scientificamerican.com/article/should-people-be-concerned-about-parabens-in-beauty-products/.

• Simons, Keith J., and F. Estelle R. Simons. “Epinephrine and its use in anaphylaxis: current issues.” Current Opinion in Allergy and Clinical Immunology 10, no. 4 (August 2010): 354–361.

• Smith, K.R., and Diane Thiboutot. “Sebaceous gland lipids: friend or foe?” Journal of Lipid Research 4 (November 2007): 271–281.

• Spellman, Frank R. The Handbook of Meteorology. Plymouth: Scarecrow Press, Inc., 2013.

• Spriet, Lawrence L. “New Insights into the Interaction of Carbohydrate and Fat Metabolism During Exercise.” Sports Medicine 44, no. 1 (May 2014): 87–96.

• Society of Dairy Technology. Cleaning-in-Place: Dairy, Food and Beverage Operations. Oxford: Blackwell Publishing, 2008.

• Srinivasan, Shraddha, Kriti Kumari Dubey, Rekha Singhal. “Influence of food commodities on hangover based on alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydro-genase activities.” Current Research in Food Science 1 (November 2019): 8–16.

• “Sunscreens and Photoprotection.” Gabros, Sarah, Trevor A. Nessel, and Patrick M. Zito. StatPearls Publishing. Accessed January 15, 2020. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK537164/.

• Tamminen, Terry. The Ultimate Guide to Pool Maintenance. New York: McGraw-Hill Education, 2007.

• The Royal Society of Chemistry. Coffee. Croydon: CPI Group (UK), 2019.

• “This 16-year-old football player lifted a car to save his trapped neighbor.” Ebrahimji, Alisha. CNN. Accessed January 19, 2020. http://cnn.com/2019/09/26/us/teen-saves-neighbor-car-trnd/index.html.

• Toedt, John, Darrell Koza, and Kathleen Van Cleef-Toedt. Chemical Composition of Everyday Products. Westport: Greenwood Press, 2005.

• Tosti, Antonella, and Bianca Maria Piraccini. Diagnosis and Treatment of Hair Disorders. Abingdon: Taylor & Francis, 2006.

• Tro, Nivaldo J. Chemistry. Boston: Pearson, 2017.

• Waterhouse, Andrew Leo, Gavin L. Sacks, and David W. Jeffery. Understanding Wine Chemistry. Chichester: John Wiley & Sons, Inc., 2016.

• Wermuth, Camille Georges, David Aldous, Pierre Raboisson, Didier Rognan, ed. The Practice of Medicinal Chemistry. London, England: Academic Press, 2015.

• Young, David, John D. Cutnell, Kenneth W. Johnson and Shane Stadler. Physics. Hoboken: John Wiley & Sons, Inc., 2015.

• “Your Guide to Physical Activity and Your Heart.” National Institutes of Health, National Heart, Lung, and Blood Institute. Accessed March 23, 2020. http://nhlbi.nih.gov/files/docs/public/heart/phy_activ.pdf.

• Zakhari, Samir. “Overview: How is Alcohol Metabolized by the Body?” Alcohol Research & Health 29, no. 4 (2006): 245–254.

• Zumdahl, Steven S. Chemical Principles. Belmont: Brooks/Cole, 2009.

• Zumdahl, Steven S., Susan A. Zumdahl, and Donald J. DeCoste. Chemistry. Boston: Cengage Learning, 2018.

Глоссарий

Аминокислоты – молекулы, состоящие из атомов, необходимых для жизнедеятельности человека: углерода, водорода, азота и кислорода.

Анаэробный процесс – процесс, протекающий в отсутствие кислорода.

Анион – отрицательно заряженный ион.

Ароматические молекулы – молекулы, обладающие запахом.

Атом – основная структурная единица веществ (состоит из протонов, нейтронов и электронов).

Атомная масса – сумма протонов и средневзвешенного значения нейтронов в атоме.

Аэробный процесс – процесс, протекающий в присутствии кислорода.

Валентный электрон – электроны на внешней оболочке атома.

Внутримолекулярное взаимодействие – притяжение внутри молекулы (обычно связи между атомами).

Водородная связь – межмолекулярное взаимодействие между двумя молекулами; при этом каждая молекула имеет ковалентной связью между водородом и атомами кислорода, азота или фтора.

Гидрофобность – неполярная молекула, отталкивающая воду.

Глюкоза – моносахарид (сахар) с молекулярной формулой C_6H_12O_6.

Гормон – молекула, передающая «сообщение» из одной части тела в другую.

Диполь-дипольное взаимодействие – межмолекулярное взаимодействие, возникающее между двумя полярными молекулами.

Дисперсионное взаимодействие – межмолекулярное взаимодействие, возникающее между двумя неполярными молекулами.

Жирные кислоты – длинная молекула, имеющая неполярный конец (углеводороды) и полярный конец (карбоновая кислота).

Зарядовое число – число протонов в атоме.

Изотопы – два или более элемента, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.

Ион – заряженный атом (может быть позитивно или негативно заряженным).

Ионная связь – взаимодействие, когда один атом отдает электроны другому атому.

Испарение – фазовый переход, возникающий, когда жидкость превращается в газ.

Катализатор – молекула, изменяющая скорость химической реакции (обычно повышает скорость реакции).

Катион – положительно заряженный атом.

Кислота – молекула с pH ниже 7.

Ковалентная связь – взаимодействие, возникающее, когда два атома обобщают свои электроны.

Макроскопический – что-то, что можно увидеть человеческим глазом (без использования специальных инструментов).

Массовое число – число протонов и нейтронов в атоме.

Межмолекулярное взаимодействие – притяжение, возникающее между молекулами.

Микроскопический – что-то, что нельзя увидеть человеческим глазом (без использования специальных инструментов).

Молекула – частица, состоящая из двух или более атомов.

Нейтрон – нейтрально заряженная частица, расположенная в ядре атома.

Неполярный – свойство, которым обладает молекула (или связь) с симметричным расположением электронов.

Основание – молекула с pH выше 7.

Пептид – молекула, состоящая из двух или более аминокислот.

Плотность – относительная масса, определяемая массой тела к занимаемому телом объему.

Полимер – большая молекула, состоящая из повторяющихся звеньев.

Полипептид – белковые молекулы в нашей еде.

Полярный – свойства, которым обладает молекула (или связь) с несимметричным расположением электронов.

Протон – положительно заряженная частица, расположенная в ядре атома.

Связь – химическое взаимодействие между двумя атомами (обычно это перекрытие или перенос электронов).

Спирт – молекулы (обычно углеводороды) с кислородно-водородной ковалентной связью.

Тепловая энергия – кинетическая энергия в виде тепла.

Транс- – конфигурация, когда обе функциональные группы находятся по противоположные стороны молекулы.

Триглицериды (или жиры): молекулы жиров и масел в нашей еде.

Углеводород – молекула, содержащая только атомы водорода и углерода.

Углеводы – сахар и крахмал в нашей еде.

Ферменты – молекулы природного происхождения, выступающие в роли катализаторов в химических реакциях (обычно в теле человека).

Функциональная группа – часть молекулы, сильно влияющая на химические свойства всей молекулы.

Цис- – конфигурация, когда обе функциональные группы находятся по одну сторону молекулы.

Экзотермический процесс – процесс, в ходе которого выделяется тепло (становится теплее).

Электролиты – ионные формы (или соли).

Электромагнитное излучение – электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве в виде радиоволн, микроволнового излучения, инфракрасного излучения, света, ультрафиолетового излучения, рентгеновского излучения и гамма-излучения.

Электрон – негативно заряженная частица, расположенная на расстоянии от ядра атома.

Электроотрицательность – показатель того, насколько электроны одного атома могут притягиваться ядром другого атома.

Элемент – совокупность атомов с одинаковым количеством протонов (и физическими/химическими свойствами).

Эндотермическая реакция – реакция, в ходе которой поглощается тепло (становится холоднее).

Ядро – центр атома (состоит из протонов и нейтронов).

* * *

Примечания

1

Chemistry 101 – полезное приложение для изучения химии. (Прим. лит. ред.)

2

Электроположительным называют тот атом, который склонен терять электроны. (Прим. науч. ред.)

3

Четвертого июля в США празднуют День независимости. (Прим. лит. ред.)

4

Диаграмма Вена – схематическое изображение всех возможных отношений нескольких подмножеств универсального множества. В простейшем виде представляет из себя три окружности, каждая из которых пересекается с двумя другими, а в центре происходит наложение всех трех слоев. (Прим. лит. ред.)

5

Мария Кондо – популярная японская писательница, автор книг по организации домашнего быта. (Прим. науч. ред.)

6

Ted-Ed – образовательный ресурс, содержащий короткие видео (5–10 минут) об интересных научных фактах. (Прим. лит. ред.)

7

Отечественным аналогом можно считать один из вариантов советской игры «Красное знамя, ударное звено». (Прим. лит. ред.)

8

Джейн Фонда – американская актриса, общественная активистка и писательница, лауреат двух премий «Оскар», пяти премий «Золотой глобус» и премии «Эмми». Кроме всего прочего, известна тем, что разработала популярный комплекс упражнений по аэробике. Она выпустила книгу «Джейн Фонда. Упражнения» и простые инструкции к ней, записанные на видеокассетах, а после открыла сеть спортивных залов по всей Америке. (Прим. лит. ред.)

9

Шортенинг – это любой жир, который при комнатной температуре становится твердым и используется для приготовления рассыпчатого теста и других пищевых продуктов. (Прим. науч. ред.)

10

Каустическая сода – другое название щелочи гидроксида натрия. (Прим. науч. ред.)

11

Счастливый час (Happy hour) – это время, в которое общественное заведение (например, бар или ресторан) предлагает скидки на алкогольные напитки. (Прим. лит. ред.)

12

Кесо – соус-дип из расплавленного сыра, перца чили, томатов и различных специй. (Прим. лит. ред.)

13

Доза, достаточная для того, чтобы ослепнуть – 10–20 мл чистого метанола. После 50–100 мл наступает летальный исход. (Прим. науч. ред.)

14

ABBA – популярная шведская поп-группа, созданная в 1972 году. (Прим. лит. ред.)

15

ТТГ – тиреотропный гормон. (Прим. науч. ред.)

Content

Кейт Бибердорф
Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Введение

Часть I. Забудьте все, чему вас учили в школе

1. Мелочи имеют значение. Атом

2. Все о форме. Атомы в пространстве

3. Займемся физикой. Твердые тела, жидкости и газы

4. Связи нужны для того, чтобы ломать их. Химические реакции

Часть II. Химия здесь, там и везде

5. Лучшая часть пробуждения. Завтрак

6. Почувствуйте жжение. Тренировка

7. Be·YOU·tiful (Вы прекрасны). Приводим себя в порядок

8. Дай мне немного солнца. На пляже

9. PIE KID YOU NOT. На кухне

10. Свистите во время работы. Убираемся в доме

11. Счастливый час – самый лучший час. В баре

12. Конец дня и отдых. В спальне

Благодарности

Избранная библиография

Глоссарий

Примечания