Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи

сможете понять всю химию. То, что я представляю на ваш суд, это лишь начало. Воспринимайте ее так же, как вы воспринимаете вводный курс игры на фортепиано или гитаре. Вы не станете новым Бахом или Пино Даниэле[3], но узнаете достаточно, чтобы понимать ноты и спеть популярный шлягер у костра с друзьями.

Я постараюсь приложить все усилия, чтобы показать, что химия – это не тот нудный предмет, который мучил вас в школе, и не формулы для заучивания наизусть. Химия – это язык, на котором рассказывают увлекательные истории о приключениях, язык, посредством которого можно описать мироздание и общество.

Приятного чтения!

Лекция 1

На кухне

Химия в тарелке

Лучшее начало разговора о химии – рассказы о ней среди кастрюль и конфорок, где творятся воистину удивительные химические превращения! Когда мы готовим, то бессознательно выполняем множество сложных задач, с которыми исследователь сталкивается в настоящей лаборатории: проверяем чистоту и качество исходных продуктов, взвешиваем, смешиваем, приготовляем растворы, проводим очистку, проводим химическую реакцию, наблюдаем за ними и контролируем получение нужного результата.

Трудно недооценить важность продуктов питания в нашей каждодневной жизни: еда необходима нам не только для поддержания существования, но служит важнейшей основой нашей идентичности и традиций, каждодневных ритуалов и праздничных церемоний. Еда напоминает нам о детстве, успокаивает вкусом и ароматом дома, помогает осознать ход времени и обозначить важнейшие моменты нашей жизни, от первой пиццы до дружеских и романтичных ужинов, от уюта горячего шоколада зимой до радости свадебного торта. Наша эмоциональная связь с вкусной едой переходит в растущее осознание важности правильного питания, полезного для нашего здоровья и необходимого для сохранения природы. За последние несколько десятков лет мы стали внимательнее относиться не только к самому питанию, но и к влиянию сельского хозяйства на экологию, использованию местных продуктов, условиям содержания животных и т. д.

Сочетание всех этих факторов делает разговор о питании весьма сложным, прежде всего потому, что неспециалисту трудно разобраться в этом лабиринте альтернативных диет, суперпродуктов, биопродуктов, биодинамического сельского хозяйства, ГМО и различных исследований, демонизирующих или превозносящих то одни пищевые продукты, то другие. Кроме того, если в других темах можно найти более-менее единое мнение экспертов, то в этом случае не только исходные научные данные весьма сложны, но вдобавок их нельзя рассматривать отдельно от общего культурного фона и без учета множества политических и социальных последствий.

Принимая во внимание все эти условия, можно утверждать, что для подробного обсуждения противоречивых научных вопросов, связанных с питанием, пришлось бы написать целую энциклопедию. Тем не менее это вовсе не значит, что любой человек не сможет освоить минимальную базу знаний, которая позволит ему лучше понимать, что находится у него на тарелке и как оно взаимодействует с его телом, и соответственно защищать себя от некоторых веществ.

Химические элементы, атомы и молекулы

Прежде чем мы начнем наше погружение в мир еды, хорошо бы познакомиться с матчастью. Надо всем вместе разобраться с тем, что обозначают некоторые термины, используемые порой абсолютно неправильно, что приводит к великой путанице.

Начнем с самого начала: материя состоит из атомов, а для химика фундаментальными составляющими материи служат именно атомы.

Еще в Древней Греции некоторые философы, такие как, например, Демокрит, предполагали, что окружавший их мир был не однородным, то есть бесконечно делимым на всё более мелкие части, и состоял из фундаментальных частиц – атомов.

Термин «атом» происходит от греческого аtomos и означает «невидимый», и сегодня мы знаем, что и атомы тоже состоят из других, более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов.

Подробное изложение структуры атома – задача совсем не простая, она требует погружения в весьма сложные области современной физики, которые вряд ли удастся постичь интуитивно: квантовую механику. На пару с теорией относительности квантовая механика стоит у истоков научной революции ХХ века, и ее сложность делает решительно невозможным простое, в нескольких словах, объяснение квантовой природы атома, не впадая в вводящие в заблуждение и неприемлемые упрощения. В следующих главах я буду понемногу рассказывать, по мере необходимости, об атомной структуре материи, однако в настоящий момент я ограничусь предупреждением о недопустимости использования прилагательного «квантовый», когда речь идет о чем-либо, отличном от микроструктуры материи. Квантовых медицины и телепатии не существует! Не позволяйте себя обманывать!

Сильно упрощая, мы можем представить себе атом в виде миниатюрной солнечной системы: электроны – отрицательно заряженные частицы, вращающиеся вокруг ядра, которое находится в центре атома и состоит из протонов (положительно заряженных) и нейтронов (не имеющих заряда). Ядро очень маленькое и очень плотное и составляет основную массу атома, а электроны – легчайшие и носятся на большом расстоянии от ядра. Именно количество протонов отличает атомы разных химических элементов друг от друга: у водорода, например, в ядре всего один-единственный протон, поэтому он самый легкий элемент во Вселенной; атом натрия, который плавает в минеральной воде с низким содержанием минералов, включает в себя 23 протона, а уран – самый тяжелый природный элемент периодической таблицы – может похвастаться 92 протонами.

Всего нам известно 118 химических элементов, если включить в список и искусственно синтезированные: самый тяжелый из них, оганесон, вошел в периодическую таблицу только в 2015 году. Если исключить такие элементы, как технеций, который активно используется в медицине, или плутоний, применяемый в атомной индустрии, у большинства искусственных элементов жизнь весьма коротка. Они обычно живут не дольше нескольких долей секунды внутри мощных ускорителей микрочастиц: совершенно неуловимые элементы!

Наше тело включает в себя около пятидесяти элементов. Некоторые из них составляют основу жизни, такие как кислород, кальций и натрий. Роль других в биологических процессах, таких как барий или алюминий, пока не ясна – они поступают в организм с пищей.

Кислород присутствует в нашем теле в большом количестве, составляет 65 % нашей массы, однако с точки зрения количества атомов его хозяином выступает водород, поскольку 62 % человеческого организма состоит из его соединений. Водород и кислород в нашем организме повсюду, они соединяются в молекулу воды,