Вода, которую мы пьем

Как мы знаем, все тела состоят из атомов и молекул. Атомы, мельчайшие компоненты вещества, обладают ядром, окруженным электронными оболочками. Ядро мы будем представлять в виде сферы, состоящей из тяжелых элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Суммарный заряд протонов (т. е. заряд ядра) определяет конкретный элемент: ядро с одним протоном – водород, с двумя – гелий, с тремя – литий, с двадцатью шестью – железо, с девяносто двумя – уран. Нейтронов в ядре обычно больше, чем протонов: у урана – 146 нейтронов, у железа – 30, у лития – 4 и т. д. Исключения – самые легкие элементы – водород и гелий: у гелия два протона и два нейтрона, а ядро водорода в большинстве случаев – это один-единственный протон. Однако количество нейтронов в ядре может колебаться, и по этой причине каждый элемент известен нам в виде нескольких изотопов, стабильных или нестабильных, то есть склонных к радиоактивному распаду. Выше были перечислены стабильные изотопы водорода, гелия и других элементов – их в земной коре и водах подавляющее большинство. Но есть и другие изотопы, например у водорода: дейтерий D – в ядре протон и нейтрон, тритий T – в ядре протон и два нейтрона.

Атомное ядро окружают легкие элементарные частицы, отрицательно заряженные электроны; в первом приближении можно считать, что они вращаются вокруг ядра по близким и более удаленным орбитам, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Заряд электрона отрицательный и равный по абсолютной величине заряду протона; электронов в атоме столько же, сколько протонов, и поэтому атом в целом электронейтрален. На сегодняшний день нам известно чуть более сотни различных элементов, от водорода до радиоактивных менделевия, нобелия и лоуренсия, и все они представлены в Периодической таблице.

Эту таблицу можно уподобить алфавиту, а атомы – буквам, из которых составляются слова-молекулы. Можно сказать, что совокупность слов – это человеческий язык, а совокупность различных молекул (то есть различных веществ) – это язык природы. В природе вещества редко присутствуют в своем атомарном состоянии, в виде атомарного водорода, кислорода или железа; в большинстве случаев они объединяются в молекулы или кристаллы, образуя газы, жидкости и твердые тела. Так, два атома водорода объединяются в молекулу H (газ водород), два атома кислорода – в молекулу О2 (газ кислород). Наконец, два атома водорода соединяются с одним атомом кислорода и образуют жидкость HO – воду.

В чем причина этой необоримой тяги атомов к слиянию в молекулы? Всем нам известен закон сохранения энергии, из которого следует, что энергия не создается и не уничтожается, а только переходит из одного состояния в другое. Это – главный физический закон. Второй по значимости, пожалуй, принцип минимума энергии, согласно которому всякое вещество строится так, и всякий процесс осуществляется таким образом, чтобы при этом была затрачена минимальная энергия. Молекула H имеет меньшую энергию, чем два свободных атома водорода, молекула HO – меньшую, чем два атома водорода и один атом кислорода. Отсюда многообразие веществ в окружающем нас мире. Иными словами, есть фундаментальный закон, повинуясь которому атомы-буквы складываются в молекулы-слова.

Связь атомов в молекуле осуществляют электроны внешней (валентной) оболочки. Виды этих связей весьма разнообразны, но основные таковы: ионная и ковалентная. В случае ионной связи один атом отдает электроны, а другой их присоединяет, и в результате образуются два иона, положительный и отрицательный. Например, поваренная соль NaCl: натрий отдает один электрон, хлор его присоединяет, и это обозначается как Na⁺и Cl^–. Значит, ион – это атом, у которого один или несколько (обычно до четырех) электронов отняты или присоединены, в результате чего он превратился в частицу с положительным (катион) или отрицательным (анион) зарядом. В первом приближении можно считать, что молекула или кристалл с ионной связью цементируются электрическими силами – притяжением разноименно заряженных ионов (анионов и катионов) друг к другу и отталкиванием их электронных оболочек.

В случае ковалентной связи, которая реализуется, например, в молекулах H и O, внешние электроны как бы обобществляются, кружась по орбитам, которые «обтекают» оба (или большее число) составляющих молекулу атома. Существуют промежуточные типы связей между ковалентной и ионной, а кроме того, оба типа связи могут иметь место в одной молекуле. Вспомним о серной кислоте HSO: сера связана с четырьмя атомами кислорода ковалентно, и этот блок (кислотный остаток, ион SO^4–₂) соединен с двумя атомами водорода ионными связями.