1.1: Прелюдія до хімії

Вибухове розкладання трийодиду азоту, показане у відео, є захоплюючим (і силовим) прикладом хімії в дії. Для багатьох з нас цей вибух - робота хіміків, які працюють магією на лаві лабораторії. Насправді хімія набагато ширше. Перетворення речовини можуть бути такими ж швидкими та вибухонебезпечними, як показує відео, або включати повільний розпад живих організмів на викопне паливо. Оточуючі нас сполуки в повсякденному житті мають безліч властивостей, які були б задумані як магія всього кілька століть тому. Чи можете ви уявити, щоб описати попереднім поколінням неонові вивіски або електрику від батарей? Чи могли б ви уявити, що б вони сказали, бачачи розкладання трийодиду азоту?

Трийодид азоту є контактною вибуховою речовиною. Тут у мене є деякі з п'яти фільтрувальних паперів, складені на кільцевій підставці, а оригінальний фільтрувальний папір знаходиться просто зліва від екрану (якщо ви дивитеся, коли він детонує, ви можете побачити вторинну фіолетову хмару зліва).

Наука про хімію займається складом, властивостями та структурою речовини та способами, за допомогою яких речовини можуть змінюватися від однієї форми до іншої. Оскільки все, що має масу і займає простір, можна класифікувати як матерію, це означає, що хімія пов'язана майже з усім у Всесвіті. Але це визначення занадто широке, щоб бути корисним. Хімія - не єдина наука, яка займається складом і перетвореннями речовини. Деяка речовина складається з клітин, які трансформуються мейозом та іншими процесами, які вивчають біологи. Матерія також складається з субатомних частинок, званих лептонами, які трансформуються такими процесами, як анігіляція, вивчена фізиками. Хіміки унікальні тим, що вони розуміють або пояснюють все, від нашого тіла до нашого Всесвіту, з точки зору властивостей трохи більше 100 видів атомів, знайдених у всій матерії, і дивовижної різноманітності молекул та інших атомних структур, які створюються шляхом формування та розриву зв'язків між атомами. У відео вибуху зв'язки розриваються в молекулах трийодиду азоту (NI ₃) і атоми рекомбінуються з утворенням азоту (N ₂) і йоду (I ₂). Так що хімія визначається її підходом, а не предметом. Хімія пояснює або розуміє будь-який предмет з точки зору властивостей атомів і молекул. Хімія, іншими словами, - це не просто те, що відбувається в лабораторіях. Це унікальна перспектива, або спосіб розуміння всього, що навколо нас і навіть всередині нас. Хімія відбувається в таких різноманітних місцях, як найменша бактерія, поле дозрівання пшениці, сучасний завод з виробництва, біосфери планет, таких як Земля, величезні простори міжзоряного простору, і навіть ваші очі і мозок, коли ви читаєте ці слова.

Chemprime визнає, що хімічна перспектива може додати до нашого розуміння всього, що викликає наш інтерес. Нашою метою буде додати ще один вимір - розуміння властивостей атомів і молекул і того, як вони взаємодіють - до багатьох суб'єктів, тим самим даючи зрозуміти, наскільки вивчення хімії має важливе значення для самих різних людей. Біологи, наприклад, досліджували більш дрібні і дрібні організми, клітини та клітинні компоненти, поки при вивченні вірусів і генів вони не об'єднали зусилля з хіміками, які цікавилися більшими і більшими молекулами. Результатом стало нове міждисциплінарне поле під назвою молекулярна біологія та підкріплення ідеї про те, що живі організми є складними, високоорганізованими хімічними системами. Хіміки взаємодіють подібним чином з вченими в таких областях, як хімічна фізика, геохімія, фармакологія, токсикологія, екологія, метеорологія, океанографія і багато інших. Сучасна практика в цих областях така, що людина, яка не має базових хімічних знань, знаходиться в серйозному невигідному становищі, тому що перспектива молекулярного рівня стала настільки важливою.

Хімія також лежить в основі великої кількості сучасних технологій. Виробництво таких основних товарів, як сталь, алюміній, скло, пластмаси, папір, текстиль та бензин - все це стосується хіміків та хімії. Без рясного дешевого постачання цих та інших речовин, які допомогла виробляти хімія, наше життя було б набагато менш комфортним. Однак, як ми зараз починаємо виявляти, безглузде та нерозбірливе використання технологій може призвести до недоліків, а також переваг. Автомобілі, електростанції та промислові процеси викидають у повітря шкідливі речовини, які не завжди легко або дешево усунути. Річки та озера також легше забруднюються, ніж ми колись думали - речовини, які колись вважали нешкідливими, зараз виявилися протилежними.

Питання, пов'язані з впливом технологій на навколишнє середовище, зачіпають кожного - не тільки вчених. Рішення щодо них є політичними, принаймні частково, і вимагають певних хімічних знань з боку виборців, а також їх обраних представників. Як мінімум, громадянину потрібно вміти розрізняти вагомі і недійсні аргументи, висунуті науковими «експертами» щодо подібних питань. (У деяких випадках така «експертиза» може бути головним чином готовністю висловлюватися, а не командуванням наукових і політичних питань.) Слід також сподіватися, що більше людей наслідуватимуть приклад Рассела Петерсона, раніше дослідника великої хімічної компанії, який займав посаду губернатора штату Делавер та голови Ради Президента з якості навколишнього середовища. Тільки завдяки поєднанню вчених, які бажають залишити свої лабораторії та громадян, які бажають опанувати деякими основами науки, можуть бути прийняті розумні політичні рішення в демократичному суспільстві. Дійсно, таке поєднання може бути необхідним, якщо демократія не перероджується в олігархію, якою керують ті, хто контролює експертів.

З огляду на універсальність хімії, її центральну роль серед наук, і її значення в сучасному житті, як можна дізнатися багато про неї за короткий час? Якщо все має хімічний аспект, тому що атоми і молекули можуть допомогти зрозуміти все, чи є область хімії настільки широкою і всеохоплюючою, що не можна освоїти достатньо, щоб зробити її дослідження вартим часу? Ми вважаємо, що відповідь на це друге питання - це гучне «ні»! Вся ця книга була розроблена, щоб допомогти вам вивчити багато хімії за короткий час. Якщо це буде успішним, на перше питання також буде дано відповідь.

Важливою і цінною технікою науки та вчених є поділ великих, здавалося б, нерозв'язних проблем на менші, простіші частини. Якщо останні підібрані ретельно, кожен можна освоїти. Потім окремі невеликі аванси можуть бути об'єднані, щоб отримати важливий, більш складний результат. При цьому хіміки не діяли на припущенні, що оскільки весь світ може бути зрозумілий з точки зору хімії та хімії, їм слід спробувати вивчити все це відразу. Швидше за все, багато хіміків роблять більшу частину своєї роботи в контрольованих лабораторних умовах, просуваючись невеликими кроками до більш загальних, корисних і захоплюючих результатів.

Оскільки процес вивчення та розуміння хімії людей далеко не завершений, ми можемо значно звузити нашу сферу інтересів, переглянувши хімію як ті речі, які хіміки можуть пояснити на молекулярному рівні, або намагаються пояснити з точки зору атомів і молекул та їх властивостей. Цей більш обмежений погляд є основною темою цієї книги. Ми сподіваємося, що коли ви закінчите з цим, ви матимете солідний досвід в фактах, законі та теоріях хімії, а також тих режимах поведінки та мислення, які хіміки знайшли корисними у вирішенні проблем, з якими вони зіткнулися.