Итак, когда пью кофе, я пью его частицы. Или это могут быть частицы чая – все зависит от того, какой выбран напиток. Давайте представим себе эти частицы в виде крошечных невидимых шариков. В основном это молекулы воды, немного кофеина (кстати, в чае он тоже содержится) и еще несколько прочих, например ароматических. Все они находятся в постоянном движении. И это можно наблюдать, пусть даже сами молекулы разглядеть невозможно.
Каким образом? Очень просто: налейте в стакан воду из-под крана и добавьте туда две-три капли кофе (нагляднее было бы с чернилами, но сейчас мы о напитках). Даже если вы оставите стакан спокойно стоять на столе, это лишь вопрос времени, когда капля кофе растворится в воде даже без размешивания. Допустим, пока это не то наблюдение, которое могло бы ошеломить. Но только представьте себе, что же там на самом деле происходит! Там же такая сумасшедшая толкотня, просто дым коромыслом стоит, ну чисто безумная вечеринка! На эту невидимую тусовку частиц я и хочу вас пригласить, ведь именно здесь начинается химия.
Кстати, стакан, кофейная чашка, стол, пол, воздух и, разумеется, мы с вами – все это состоит из частиц. И все они тоже в движении! Ничего даже похожего на состояние покоя практически не существует. Именно в этот конкретный момент повсюду – в вашей чашке, под ногами и в теле – в разгаре безумная вечеринка, мы просто не можем ее видеть.
Тут вы можете резонно заметить: зачем представлять себе мир состоящим из крошечных частиц, если мы все равно их не видим (мало того что это просто круто, ну, по крайней мере, я так считаю). А вот зачем: представляя мир таковым, можно, например, проследить, как возникают разные агрегатные состояния. Состояние вещества – твердое, жидкое или газообразное – зависит от того, насколько подвижны составляющие его частицы.
Моя кофейная чашка твердая, потому что ее частицы способны двигаться лишь самую малость – молекулы или атомы твердого тела сохраняют свое положение неизменным благодаря сочетанию температуры и давления. Твердые тела могут иметь кристаллическое и аморфное строение. О химических соединениях мы еще поговорим подробнее, а пока давайте представим себе скопище молекул при помощи такого сравнения: вы на рок-концерте, стоите в толпе людей и едва можете пошевелиться. Но, конечно же, все– таки двигаетесь, насколько это возможно. Примерно то же самое происходит с частицами твердого вещества, например того, из которого сделана ваша кофейная чашка.
В чашке жидкое содержимое – кофе; его частицы уже подвижнее, даже если еще сильно между собой взаимодействуют. В примере с концертом жидкое состояние – это если бы вы находились перед сценой, где все дергаются и прыгают. Но самые необузданные молекулы – в газообразном веществе, например во вдыхаемом нами воздухе. Они двигаются без оглядки на соседей. Тут уж концертную площадку пришлось бы увеличивать во много раз, чтобы все зрители могли свободно бегать и кувыркаться, не мешая остальным делать то же самое.
Агрегатное состояние вещества зависит от сочетания температуры и давления. Самый простой и знакомый всем пример – вода. Если разогреть твердую воду, то есть лед, он растает в жидкость. При дальнейшем нагреве вода обратится в пар, вещество станет газообразным. А при попадании на прохладную поверхность, например на зеркало в ванной комнате, водяной пар конденсируется, то есть снова становится жидким. Если мы продолжим охлаждать воду, она когда-нибудь застынет в лед.
Вам же понятно, к чему я веду? К тому, что у меня припасено для вас нечто, что может вынести мозг: температура – это не что иное, как движение частиц. Чем горячее, тем быстрее; чем медленнее, тем холоднее. Круто же иметь молекулярное определение температуры, верно? Вы не находите, что это занятнее, чем температура на термометре?
Теперь в наблюдении за чашкой с поднимающимся паром можно увидеть гораздо больше смысла: кофе горячий, а значит, молекулы воды двигаются быстро и сталкиваются друг с другом. Те, что испаряются, весьма проворны: им требуется столько места, что, обуреваемые двигательным возбуждением, они покидают чашку и переходят в газообразное состояние.
А как же тепло передается от кофе чашке, а от нее – кухонному столу? Это происходит из-за столкновений между частицами и вследствие передачи кинетической энергии. Вот как это выглядит: мельтешащие в чашке частицы то и дело наталкиваются на стенки. В свою очередь частицы чашки, двигаясь все быстрее и все сильнее вибрируя, наталкиваются на частицы кухонного стола, раскачивая их. А поскольку тепло всегда передается по направлению к более прохладному месту, стол под чашкой нагревается.