Чистые вещества, состоящие только из одного вида атомов, называются элементами (то же слово, которое когда‑то было использовано для земли, воздуха, огня и воды, но с существенно другим значением). Примеры элементов — водород, кислород, железо, хлор, медь, натрий, золото, углерод, ртуть и азот. Некоторые элементы, такие как молибден, редки на Земле (вот почему вы могли не слышать о молибдене), но более распространены в остальной Вселенной (если вам интересно, откуда мы это знаем, подождите до части 8).
Металлы, такие как железо, свинец, медь, цинк, олово и ртуть, являются элементами. Так же газы, такие как кислород, водород, азот и неон. Но большинство веществ, которые мы видим вокруг себя, не элементы, а соединения. Соединение — это то, что вы получите, когда два или более различных атомов соединяются определённым образом. Вы наверняка слышали, как воду называют H2O. Это — химическая соединение формула, и она означает, что это соединение одного атома кислорода с двумя атомами водорода. Группа атомов, объединённых в соединение, называется молекулой. Некоторые молекулы очень просты: например, молекула воды состоит всего из этих трёх атомов. Другие молекулы, особенно молекулы в живых телах, состоят из сотен атомов, соединённых весьма специальным образом. Более того, именно способ, которым они соединены, как и тип и число атомов, делает определённую молекулу одним соединением, а не другим.
Вы можете использовать слово «молекула» для того, чтоб описать, что вы получите, объединяя два или больше атомов одного типа. Молекула кислорода, газа, необходимого нам для дыхания, состоит из двух соединённых атомов кислорода. Иногда три атома кислорода объединяются в другой вид молекул, называемый озон. Число атомов в молекуле имеет значение, даже если атомы те же самые.
Озон вреден при вдыхании, но мы получаем пользу от его слоя в верхней атмосфере Земли, который защищает нас от наиболее вредных лучей Солнца. Одна из причин, по которым австралийцам приходится быть особенно осторожными при загорании — «дыра» в озоновом слое на дальнем юге.
Кристаллы — атомы на параде
Кристалл алмаза — огромная молекула, без определённого размера, состоящая из миллионов атомов элемента углерод, связанных вместе и выстроенных вполне определённым образом. Они настолько равномерно распределены внутри кристалла, что вы можете представить их солдатами в строю, за исключением того, что они построены в трёх измерениях, как косяк рыбы. Но число «рыб» в косяке — число атомов углерода даже в самом маленьком алмазе — гигантское, больше чем число всех рыб (плюс всех людей) на Земле. И «связанных вместе» не очень корректное описание, если оно заставляет вас думать об атомах как о твёрдых кусках углерода, плотно упакованных без промежутков между ними. На самом деле, как мы увидим, в основном «твёрдая» материя состоит из пустого пространства. Это потребует некоторого объяснения. Я ещё вернусь к этому позже.
Все кристаллы построены одинаковым («строевым») образом, с атомами, равномерно расставленными по фиксированной схеме, что придаёт форму всему кристаллу. Именно форму мы обычно имеем в виду под «кристаллом». Некоторые «солдаты» способны «выстраиваться» несколькими способами, создавая весьма разнообразные кристаллы. Атомы углерода, построенные одним образом, образуют легендарно твёрдые кристаллы алмаза. Но если они выстроятся по — другому, они образуют кристаллы кристаллы графита, настолько мягкого, что его используют как смазку.
Мы думаем о кристаллах как о прекрасных прозрачных объектах, и даже описываем другие вещи, например чистую воду, как «кристально чистые». Но в действительности, наиболее твёрдое вещество состоит из кристаллов, и наиболее твёрдое вещество непрозрачно. Кусок железа состоит из множества мельчайших кристаллов, сложенных вместе, каждый из кристаллов состоит из миллионов атомов, выстроенных «как на параде» подобно атомам углерода в кристалле алмаза. Свинец, алюминий, золото, медь — все состоят из кристаллов соответствующих им типов атомов. Так же камни, такие как гранит или песчаник — но они часто являются смесями множества разных типов мельчайших кристаллов, сложенных вместе.
Песок тоже кристаллический. Фактически, многие песчинки — это просто маленькие куски камня, сточенные водой и ветром. То же самое верно для грязи, с добавлением воды или других жидкостей. Часто, частицы песка и грязи уплотняются снова, создавая новые породы, называемые «осадочными» — потому что это отвердевшие осадки песка и грязи. («Осадок» — это частички твёрдого вещества, оседающие на дне жидкости, например в реке, или озере, или море.) Песок в песчанике в основном состоит из кварца и полевого шпата, двух распространённых кристаллов в земной коре. Известняк — другое дело. Это — карбонат кальция, как и мел, и он происходит из сточенных скелетиков кораллов и морских раковин, включая раковины крошечных одноклеточных существ, называемых фораминиферы. Если вы видите белый пляж, песок на нём, скорее всего, — карбонат кальция из этого же ракушечного источника.
Иногда кристаллы состоят полностью из одного типа атомов «в строю» — все атомы одного и того же элемента. Примеры — алмаз, золото, медь и железо. Другие кристаллы созданы из двух разных типов атомов, опять «в строю» в строгом порядке, например, чередуясь. Соль (поваренная соль, столовая соль) — не элемент, а соединение двух элементов, натрия и хлора. В кристалле соли, атомы натрия и хлора выстроены поочерёдно. На самом деле, здесь они называются не «атомы», а «ионы», но я не буду вдаваться в подробности, почему. Каждый ион натрия имеет шесть соседей — ионов хлора, под прямыми углами друг к другу: спереди, сзади, слева, справа, сверху и снизу. И каждый ион хлора окружён ионами натрия таким же образом. Все расположение состоит из квадратов, и именно поэтому кристаллы соли, если вы внимательно посмотрите через сильную лупу, кубические — трёхмерное обобщение квадрата — или как минимум имеют квадратные грани. Множество других кристаллов состоят из более чем одного вида атомов «в строю», и многие из них находятся в камнях, песке и почве.
Твёрдое, жидкое, газ: как движутся молекулы
Кристаллы твёрдые, но не все на свете твёрдое. У нас есть ещё жидкости и газы. В газах молекулы не сцеплены друг с другом, как в кристаллах, а свободно носятся в доступном пространстве, перемещаясь по прямым, как бильярдные шары (но в трёх изменениях, а не в двух, как на плоском бильярдном столе). Они несутся, пока не стукнутся о что‑то, например другую молекулу или стенку сосуда, тогда они отскакивают, опять как бильярдные шары. Газы можно сжать, что показывает, что между атомами и молекулами полно места. Когда вы сжимаете газ, вы чувствуете сопротивление. Закройте пальцем выход велосипедного насоса и толкайте поршень — вы почувствуете сопротивление. Если вы не отпустите палец, то поршень отскочит назад, как только вы его отпустите. Сопротивление, которое вы чувствуете, называется «давление». Давление — это результат того, что миллионы молекул воздуха (смесь азота, кислорода и ряда других газов) в насосе бомбардируют поршень (и все другие части насоса, но поршень — единственная часть, которая может двигаться в ответ). При более высоком давлении «бомбардировка» происходит чаще. Это же произойдёт, если то же число молекул газа заключают в меньшем объёме (например, когда вы нажимаете на поршень велосипедного насоса). Это же произойдёт, если вы повысите температуру, что заставит молекулы носиться быстрее.
