Что делает вещества такими разными?

 

За исключением еды, напитков и некоторых необходимых нам жидкостей вроде моющих средств и т. п., большинство вещей, окружающих нас дома, сделаны из твердых материалов. Каждый такой материал имеет разное строение – атомы и молекулы в них по-разному организованы и по-разному связаны между собой. И то, что вы вставляете в окна стекла, а стены делаете из кирпичей, и никак иначе, имеет под собой стройное научное объяснение. Хорошо бы «вскрыть» различные вещества и материалы и заглянуть внутрь, чтобы увидеть, как расположены там атомы и молекулы. В разных веществах вы увидели бы разную картину, которая и делает их наиболее подходящими для той или иной задачи.

Давайте совершим такую экспресс-экскурсию по обычным материалам и посмотрим, как они работают.

 

Замечательные металлы

 

Железо – один из самых простых по структуре материалов. Если «открыть» его, как картонную коробку, и заглянуть внутрь, то можно увидеть что-то вроде сотен маленьких мраморных шариков. Каждый такой прочный шарик представляет собой один атом железа. Атомы плотно «упакованы» в ряды, которые расположены друг над другом[94]. Но как это объясняет свойства железа? Оно сравнительно твердое (значительно тверже, например, мелка или сыра), поскольку атомы в его структуре расположены очень близко друг к другу. Конечно, можно сказать, что железо и относительно мягкое (мягче стали или алмаза). С помощью молотка железному бруску можно придать форму, поскольку ряды его атомов способны двигаться друг относительно друга. А в отличие от стекла, другого твердого материала, железо гнется, потому что это допускает его атомная структура. Стекло же разрушается: его атомы не способны занимать новое положение, если вся структура не распадается (об особенностях стекла мы поговорим в следующей главе).

Железо хорошо проводит электричество: электроны в его плотно прилегающих друг к другу атомах объединяются в подобие потоков, которые движутся внутри железа, перенося электрический заряд от одного конца бруска к другому. Железо – также хороший проводник тепла, которое передается от атома к атому в ходе невидимой игры по принципу: «Тише, пропусти его вперед». При сильном нагревании оно краснеет, поскольку его атомы легко поглощают энергию. Но столь же легко они отдают ее назад.

Даже такой относительно простой элемент, как железо, хранит научные тайны. Например, если его достаточно разогреть и добавить сверху немного алюминия, то после остывания можно обнаружить, что атомы алюминия проникли внутрь кристаллической решетки железа. Один металл может растворяться в другом, образуя то, что в физике называется «твердыми растворами».

 

Союзники в сплавах

 

Металлы относительно просты. Иногда они просто хорошие, иногда просто плохие. Одна из проблем железа состоит, например, в том, что оно относительно слабо на изгибание и растяжение. Но если в него добавить углерод так, чтобы атомы последнего вошли в кристаллическую решетку железа и укрепились бы там, то можно получить гораздо более прочный материал. Так производятся чугун, кованое железо и сталь. Всё это сплавы (смесь металла с одним или более другими элементами). Сталь прочнее железа, потому что связанные с его атомами маленькие атомы углерода не позволяют атомам железа легко перемещаться друг относительно друга.

Другая проблема железа в том, что оно легко поддается коррозии. Можно решить ее, постоянно крася и перекрашивая металлические конструкции вроде моста Форт-Бридж[95]. Есть решение получше: добавить определенное количество хрома в железно-углеродную смесь, чтобы создать более сложный сплав, который называется нержавеющей сталью. Возможно, вы удивляетесь тому, что ножи и вилки на вашей кухне не ржавеют, хотя на 90 % состоят из железа и минимум половину жизни проводят в контакте с агрессивными продуктами вроде соленой рыбы или чипсов. Дело в том, что атомы хрома в столовых приборах вступают в реакцию с кислородом, находящимся в воздухе, и формируют на поверхности ножей и вилок тонкую пленку оксида хрома, которая не дает кислороду и воде проникать в железо, содержащееся под пленкой.

 

Удивительный пластик

 

Нам кажется, что изделия из пластмассы – дешевые, яркие и очень доступные. В этом смысле мы и понимаем слово «пластмасса». Но уместнее было бы говорить о пластиках (существуют десятки, если не сотни их разновидностей), которые по своей природе пластичны и могут использоваться самыми разными способами. Пластмассе легко придать вид металлов, дерева, стекла, волокон и вообще практически чего угодно. Но сходство будет только внешним.

Если кусок железа состоит из атомов железа, то кусок пластмассы не имеет в своей структуре атомов пластмассы. Пластмассы состоят из гигантских молекул – полимеров, в которых обычно присутствуют атомы углерода, водорода, кислорода и азота. Полимер представляет собой бесчисленное повторение более мелких молекул, которые называются мономерами, и часто выглядит как длинная цепочка мономеров. Если представить себе, что состав с углем – это полимер, то мономеры – вагоны, следующие за локомотивом. Пластмасса обычно гибкая, но по своей структуре она достаточно тверда и устойчива к внешним воздействиям.

Если вы когда-либо принимали участие в кампании по очистке пляжей от мусора, то знаете, что б о льшая часть выносимого волнами на берег мусора – изделия из пластмассы. И некоторые из них живут на удивление долго. По оценкам ученых, обычный пластик способен просуществовать в земных условиях до 500 лет. Это частично объясняется высокой сопротивляемостью длинных полимерных цепочек воздействию воздуха, воды, тепла, света и других факторов, которые разрушают более простые материалы вроде бумаги или дерева. Важно и то, что никакие живые существа на Земле (за исключением небольшого числа особых всеядных бактерий) не потребляют пластмассу и не умеют ее переваривать[96]. Тех изделий из пластмасс, которые окружают нас сегодня повсюду, 100 лет назад вообще не существовало[97]. Поэтому интересно попытаться представить себе, как будет выглядеть наш мир через 500 лет, если уже сегодня он задыхается от неразрушимого пластика. Конечно, трудно мерить время таким масштабами, но можно хотя бы представить себе вот что: если бы в эпоху короля Генриха VIII (1491–1547) существовал пластик, то мы и сегодня находили бы в археологических раскопках принадлежавшие ему зубные щетки.

 

 

▲ Долгая жизнь пластикового мусора. Неудивительно, что пластмассы в обычных условиях существуют дольше, чем природные материалы. Удивительно, что пластик может существовать так долго: до нескольких сотен лет. Долговечность элементов или веществ определяет то, насколько естественные условия, такие как солнечный свет, вода, тепловое воздействие или бактерии, могут разрушать их внутреннюю структуру, превращая их в полезные отходы [98].

 

Несмотря на свою долговечность, многие изделия из пластмассы мягкие и гибкие, потому что полимерные цепочки в них связаны относительно слабо. В отличие от металлов, в которых существуют неисчерпаемые запасы электронов, переносящих электричество и тепло, в пластмассах электроны достаточно прочно удерживаются в атомах элементов, из которых они состоят. Разумеется, нельзя утверждать, что абсолютно все пластмассы обладают такими свойствами – не все они мягкие и непрочные. Например, кевлар, близкий родственник нейлона, состоит из микроскопических, плотно связанных между собой и ориентированных в одном направлении волокон, которые похожи на спички в полном коробке. Он в пять раз прочнее стали, если сравнивать фрагменты одинакового веса. Если сшить вместе 30 слоев кевлара, можно получить суперпрочный «пластиковый мешок», который может остановить выпущенную из пистолета пулю, летящую со скоростью 1500 км/ч[99].