Май Тхи Нгуэн-Ким
Комично, как все химично! Почему не стоит бояться фтора в зубной пасте, тефлона на сковороде, и думать о том, что телефон на зарядке взорвется

– Прости, забыл сказать, что собираюсь сегодня на пробежку.

– Да ладно уж! – отвечаю я. – Мне так и так придется снова настраивать ритм сна.

Теоретически я подкована, но мне все же больше нравится высыпаться по выходным, чем каждые субботу-воскресенье загонять себя в социальный джетлаг^[3]. Конечно, мой циркадный ритм не может делать различий между рабочими днями и выходными. Ну да, выходные – дело хорошее, но это современный социальный конструкт, к которому наш организм пока что не очень приспособился. Естественный уровень мелатонина по-прежнему в той или иной степени зависит от солнца, но на восходе я чувствую себя жутко уставшей: слишком поздно ложусь спать. Постоянно возникающие ложные раздражители и соблазны – кофе, искусственный свет, громкие будильники и мобильники – и сбивают организм с толку. Ученые смогли установить, что неделя, проведенная на природе в палатках, возвращает мелатониновый цикл к солнечному времени. Жаль, что я не любительница туризма с палатками.

Но вот что на самом деле странно: наши внутренние часы в принципе работают и без света. Так уж устроен человек, что его внутренние часы с небольшими отклонениями настроены именно на сутки в 24 часа. Свет помогает настраивать эти часы – проще говоря, синхронизировать дни и приспосабливаться, например, к джетлагу.

В 2017 году Нобелевскую премию в области медицины получили трое американских ученых, расшифровавших механизм работы внутренних часов человека. Для наблюдений они держали плодовых мушек – дрозофил – в двух камерах, которым дали названия «Нью-Йорк» и «Сан-Франциско», потому что в них имитировалась освещенность, соответствующая солнечным ритмам этих приморских городов. Дрозофил периодически сажали в «самолет» (то есть в банку), и они перелетали в другой «город». Ученые отслеживали, как дрозофилы приспосабливались к трехчасовому джетлагу.

Выяснилось, что на внутренние часы существенно влияют два гена. Когда дело касается генов, химия становится особенно увлекательной! Наша ДНК не только сама является молекулой, но и способствует образованию других жизненно важных молекул.

В генах закодирована вся необходимая для нашей жизни информация, в том числе и о внутренних часах. Этот код можно считывать и расшифровывать благодаря тому, что гены запускают производство различных белков. Иными словами, в генах заложен план, а белки его воплощают. (Белки – это такие хитроумные молекулы, о которых мы еще поговорим подробнее.)

Итак, эти два «часовых» гена образуют два «часовых» белка^[4].

С течением дня концентрация этих белков растет. Затем эти двое соединяются в единое целое, и такой командой они в состоянии затормозить образование самих себя. Да, вы правильно прочитали, именно так: белки образуются с целью остановить производство самих себя. Они достигают этого тем, что обеспечивают неспособность своих генов быть считанными. Как и в случае с кортизолом и стрессом, мы имеем дело с отрицательной обратной связью. Концентрация «часовых» белков падает, когда перестают образовываться новые. В конечном счете их концентрация понижается настолько, что считывание генетического кода перестает тормозиться, и образование белков начинается заново. И весь этот цикл длится как раз 24 часа. Так что смена дня и ночи закодирована в наших генах.

Впрочем, у меня такое чувство, будто с моими генами что-то не так. Я уверена, что мой организм создан для 30-часового дня – мне и день бы подлиннее, и сна намного больше. Хорошо бы когда-нибудь обследоваться на этот счет.

* * *

– Мне надо идти, – говорит Маттиас.

Мой мобильник вибрирует, пришло сообщение. Странно, это Кристина. В такое время и не спит? «Кажется, Йонасу конец», – пишет она. «Сейчас перезвоню», – отвечаю я.

Маттиас, уже одевшийся для пробежки, еще раз просовывает голову в открытую дверь и спрашивает, брать ли ему ключ.

– Не надо, – говорю, – закрой дверь, а то тепло уходит.

2. Смерть от зубной пасты

– Ты где сейчас? – спрашиваю я, когда Кристина наконец отвечает на звонок.

– На пути в лабораторию. – Судя по голосу, она раздражена.

– Так что там с Йонасом?

– Я как раз у него была, – фыркает она.

– Значит, ты у него ночевала? И как?..

– Май, он пользуется НАТУРАЛЬНОЙ ЗУБНОЙ ПАСТОЙ, – перебивает она мой вопрос.

– Чего-чего?

– Без фторидов.

Вот те раз, думаю я. Йонас – очень симпатичный физик, с которым у Кристины буквально две недели назад завязался роман. Вообще-то мы и раньше знали его через общего приятеля Ханнеса, тоже физика. Кристина Йонасом особенно не интересовалась, хотя он очень привлекательный. Я бы назвала свою подругу сапиосексуальной, то есть эмоционально и физиологически ее привлекают только умные партнеры. С тех пор как Ханнес как-то упомянул, что Йонас «семи пядей» и каждый семестр был лучшим из студентов, Кристина вдруг резко на него запала. Тем более что за ужас: он чистит зубы пастой без фторидов!

– Ты уверена? – спрашиваю я. – Может, дело в тюбике? Нынче это модный маркетинговый прием – все якобы «био». И есть же, наконец, растительная зубная паста с фторидами…

– Нет, там на тюбике большими буквами написано: «БЕЗ ФТОРА». И состав я тоже прочитала.

– Ясно. Ну и что же тут такого, если в пасте нет фторидов? Их ведь чем-то можно заменить? Ты подумала…

– Об этом сейчас речи не идет, – снова перебивает меня Кристина.

Ой-ой-ой. Если у нее нет желания даже поразмышлять о составе, дело действительно швах.

– Полный облом. Думаю, Йонас для меня умер. Ничего себе диагноз: «смерть от зубной пасты», подумала я. По иронии именно то, чего Йонас как раз и опасается.

– Ну ты его хотя бы спросила? Может, не заметил, когда покупал.

– Он говорит, фториды обызвествляют эпифиз. И при этом он даже не знает точно, где эпифиз находится!

Ну да, физики же – не химики, подумала я.

– Гидроксиапатит, – вдруг без всякой связи говорит Кристина.

– Что?

– Заменитель фторида в этой зубной пасте на травах, – фыркает она. – Обхохочешься.

– Ты имеешь в виду тот самый гидроксиапатит, как в зубной эмали?

– Да! И почему это только разрешено, не понимаю.

– Интересно, – говорю я.

– А ты запиши видео на эту тему, – предлагает Кристина. – Я сейчас в лаборатории. Позже поговорим.

Видеоролик о фторидах и зубной пасте – действительно неплохая идея. Многим кажется странным, что я училась на химика, писала диссертацию – и все для того, чтобы теперь делать что-то там для средств массовой информации. Но я поступаю так по убеждению. Чтобы служить человечеству, ученый не обязательно должен заниматься только лабораторными исследованиями. Не менее важно о науке говорить. Потому что непрофессионалам и в самом деле чертовски трудно получить доступную пониманию и в то же время корректную информацию. В Сети полно всякого – от полуправды до откровенной чуши, – и все это впаривается с пугающей убедительностью. Надежную информацию можно найти в специальной литературе, а результаты последних исследований – в научных журналах, но читать эти источники – просто страшный сон, даже специалистам они порой не по зубам. Наука – как элитарный клуб с тайным зашифрованным языком. Конечно, есть смысл в том, чтобы эксперты общались между собой на профессиональном языке. Но, с другой стороны, это вообще-то абсурд: не-специалистам этих публикаций не понять, а ведь подумайте – большая часть исследовательских работ финансируется из государственных средств. И получается, что налогоплательщики не могут понять, на что именно уходят их деньги. Поэтому я считаю, что и на YouTube, и на телевидении могло бы быть больше ученых-популяризаторов, чтобы «переводить» с языка науки.

* * *

Пока я тут спокойно завтракаю, давайте для разминки начнем с различий между фторидом и фтором. Я сейчас жарю яичницу, это как раз будет в тему моей тефлоновой сковородки – держите это в голове, а я пока сделаю разбег, дав предварительную информацию.

Фториды – это соединения фтора с другими элементами. Взгляните на периодическую систему элементов (она, кстати, приведена в конце этой книги). Фтор (обозначен буквой F) вы найдете в группе VII; входящие в эту группу элементы называют галогенами. Фтор – это газ, напоминающий запахом всем известный бассейновый галоген – хлор. Надеюсь, однако, что вам никогда не доведется его понюхать, потому что фтор чертовски опасен.

Почему я говорю «чертовски опасен»? Да потому что даже самые мизерные количества газа фтора, если будут содержаться в воздухе, вызовут у человека ожог глаз и легких. Столь агрессивные свойства обусловлены высокой реактивностью этого газа. Здесь действует правило, в общих чертах звучащее так: чем проще и быстрее вещество вступает в химическую реакцию с другим веществом, тем менее оно поддается контролю и, следовательно, тем опаснее. Существуют и другие причины, почему субстанция может быть опасной и токсичной, но об этом позднее.

Так вот: при реакции с водой фтор образует фтороводородную, или плавиковую, кислоту^[5]. Термин под стать жутким свойствам кислоты: случайно попав на руку, она не только сожжет кожу, но и, просочившись до самой кости, растворит ее. По сравнению с ней другие опасные кислоты, например соляная (соответствующая кислота хлора), представляются почти безобидными.

Так что держитесь, пожалуйста, подальше от элементарного – то есть чистого – фтора и фтороводородной кислоты!

При этом соблюдайте следующие правила… А нет никаких правил! Дело в том, что эти вещества ни в природе, ни в зубной пасте, по счастью, вообще не встречаются. Что вообще-то вполне логично: если фтор настолько агрессивен, что вступает в реакцию со всем, что плохо лежит, можно полагать, что в природе все, что возможно, со фтором уже «отреагировало».

Но фтороводородную кислоту можно производить в лаборатории. Не то чтобы какой-то там чокнутой химичке вздумалось захватить мировое господство – нет, это делают ради [моей] яичницы. В оборудованной соответствующим образом химической лаборатории можно подыскать вещество – потенциального партнера фтороводородной кислоте для реакции. А подобрав правильного партнера, можно производить, например, политетрафторэтилен^[6], известный также как тефлон^[7]! Вот мы и вернулись к моей сковородке и яичнице.

И что теперь с засевшими в сковороде атомами фтора? У меня что теперь – фтор в яичнице? Хороший вопрос, пора копать основательно.

У большинства элементов, даже исключительно реактивных и агрессивных, есть стабильная форма, в которой они расслаблены. Агрессивен атом или расслаблен – зависит от его строения. Как и во всех областях жизни, в химии в расчет всегда идут внутренние показатели. (Или почти всегда. В модели частиц их внутренность на самом деле не играет никакой роли.)

Мы часто полагаем, что атомы – это самые крошечные составные части нашего мира, но на самом деле это не так. Атомы состоят из трех различных элементарных частиц: из протонов, нейтронов и электронов. Протоны заряжены положительно, нейтроны электрически нейтральны, а электроны несут отрицательный заряд. Наш мир во всем его многообразии состоит всего лишь из трех конструктивных элементов. (На этом месте физик выразился бы немного иначе, но не будем без необходимости усложнять). И это на самом деле озадачивает. Ведь смешивая муку, яйца и молоко, а затем разогревая эту смесь, я в результате получаю или блинчики, или макароны, в зависимости от того, как и в каких пропорциях комбинирую компоненты. И даже если блинчики и макароны уж точно разные блюда, у них все же больше общего, чем у золота с кислородом. Тем не менее и золото (металл), и кислород (газ) строятся все из тех же трех конструктивных элементов. Невероятно, не правда ли?

Но что же, собственно, делает золото золотом, а кислород кислородом, если не их составные части?

Тип элемента определяется количеством его протонов.

А сколько в элементе протонов, подскажет периодическая система. В ней все элементы упорядочены, но в каком именно порядке они расположены? Так называемый порядковый номер элемента указывает на его положение в периодической системе и соответствует числу протонов. Посмотрим на таблицу: кислород занимает место № 8, значит, у него 8 протонов. Золото стоит на месте № 79 – следовательно, там 79 протонов. И вот именно только это различие делает кислород кислородом, а золото золотом.

В прежние времена алхимики, предшественники химиков, пытались превратить неблагородные металлы в золото. Сегодня мы знаем, что никакими лабораторными способами этого не сделать. Причина кроется в строении атомов.

Возможно, вам встречалась картинка, подобная этой.

О чем говорит это изображение? О том, что атом состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро составляют положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны, то есть в сумме ядро атома заряжено положительно. Оболочка атома состоит из отрицательно заряженных электронов, кружащихся вокруг ядра.

Таким образом, вес атома определяется исключительно его ядром, то есть количеством нейтронов и протонов. Ведь электроны практически ничего не весят, поэтому учитывать их вес смысла нет – это как если бы мы взвешивали слонов, на чьих спинах было бы по два перышка. Таким весом вполне можно было бы пренебречь.

Отдельно взятый атом, разумеется, весит немного – он ведь крошечный. Но масса у атомов, естественно, тоже есть, иначе ни эта книга, ни ваши головы тоже ничего бы не весили.

Масса одного атома углерода: 0,00000000000000000000002 г

Атом золота, в котором 79 протонов, намного тяжелее атома кислорода с его 8 протонами. Прибавим сюда нейтроны – каждый весит приблизительно столько же, сколько протон. В ядре каждого атома количество нейтронов и протонов примерно одинаково. Посчитав все вместе, получаем, что атом золота примерно в 12 раз тяжелее атома кислорода.

А вот объем, то есть размеры атома, определяется не ядром, а электронной оболочкой. Поскольку ядро настолько крошечное (меньше крошечного атома!), его размером тоже можно пренебречь. Если представить себе облако из электронов в виде шара сахарной ваты, то палочка, на которую она накручена, была бы ядром атома. Размер порции сахарной ваты зависит только от нее самой. Будь палочка толще или тоньше – это для величины шара сахарной ваты несущественно. Мы представляем себе ядро атома как точечную массу, у которой практически нет размера: она концентрируется в одной крошечной точке.

Так что атом размером со свою электронную оболочку. Насколько велика эта оболочка, зависит помимо прочего от количества электронов. Как правило, у атома практически столько же электронов, сколько и протонов, ведь так компенсируются положительные и отрицательные заряды, и в сумме получается электрически нейтральный атом. Следовательно, в электронной оболочке атома золота вертятся 79 электронов, а в кислороде – всего 8. А поскольку каждому электрону требуется место, электронная оболочка атома золота больше оболочки атома кислорода. Значит, атом золота более чем в два раза крупнее атома кислорода.

* * *

Вот вам про массу и объемы атомов. А теперь давайте обратимся к самой увлекательной теме – собственно к химическим свойствам! Здесь ядро атома нас пока не интересует, поскольку в химических реакциях не участвует. Химические реакции разворачиваются только в электронных оболочках и между ними. Поэтому-то из железа не сделать золота: пришлось бы привлечь в игру протоны, а это невозможно. Количество протонов в ядре так легко не изменить (за исключением радиоактивности, где тяжелые, нестабильные ядра распадаются одно за другим). Так что тем более стоит чуть больше внимания уделить оболочкам. И тут начинается самое интересное!

На рисунке модели атома вы видели, что электроны крутятся вокруг ядра по неким траекториям. Это очень упрощенная модель. Есть такое общее правило, оно относится и к модели частиц тоже. Модель никогда не описывает реальность, она лишь дает упрощенное представление. Она никогда не бывает универсально достоверной, разве что в определенных обусловленных рамках. Как вы уже заметили по нашему разговору, мне нравятся простые модели. Ну действительно, зачем без надобности усложнять вещи?

Сейчас я покажу модель, которая поможет довольно хорошо объяснить химические реакции; это так называемая оболочечная модель.

Согласно оболочечной модели, электронам не положено кружить вокруг ядра как попало – они могут делать это лишь на строго определенном расстоянии. Оболочки можно представить себе как луковую шелуху вокруг ядра, этакая луковица. (Я бы даже назвала ее луковой моделью, но меня никто не спрашивал.)

Как на определенных удалениях от Солнца вращаются Земля и другие планеты, так и электроны могут кружить вокруг ядра. Почему недопустимы иные расстояния? Это имеет некоторое отношение к квантовой механике, поскольку для таких маленьких частиц, как электроны, действуют правила физики не только классической, но и квантовой.

Квантовая физика вообще трудно представима, поскольку все, что мы видим и с чем сталкиваемся в жизни, следует правилам классической физики. Поэтому окунаться в квантовую механику – все равно что представлять себе цвет, который никогда не видел. Но мы взамен представим себе следующее.

Оболочки – это ряды кресел, закрепленные как в кинотеатре. Сидеть можно только на стульях, но не между рядами. (Что в кино, впрочем, бессмысленно: ничего не увидишь.)

Каков же порядок рассадки по этим рядам? Электронные оболочки в элементах заполняются изнутри наружу. Когда оболочка заполнена, снаружи добавляется следующая. Особенно большое значение имеют электроны на внешнем уровне. Нахождение на наибольшем удалении от ядра обусловливает их особые свойства: чем дальше оболочки от ядра, тем меньше сила притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Таким образом, электроны на внешнем уровне более свободны, чем электроны нижних оболочек. Внутренние электроны пассивны и предпочитают оставаться ближе к положительному ядру, а внешние (или электроны на внешнем уровне) – ребята общительные, они с готовностью участвуют в химических реакциях.

Помимо удаленности электронов на внешнем уровне от ядра есть еще кое-что, обусловливающее их неспокойное поведение: в то время как внутренние электронные оболочки атомов полностью заняты, внешние у многих элементов частично не заполнены. Ведь, как уже говорилось, количество электронов ограничено – оно соответствует числу протонов. Лично я не против, если в кинотеатре в моем распоряжении окажется целый ряд свободных кресел. Но я же не электрон. А они, главным образом на внешнем уровне, экстраверты – ненавидят незаполненные ряды и хотят, чтобы их оболочки непременно были заняты!

Это желание проявляется интересным образом: элементы, у которых во внешней оболочке одновременно свободны несколько мест, не особенно агрессивны. Но если не занято одно-единственное место или если во внешней оболочке в одиночку сидит электрон, дело принимает неприятный оборот. Самые агрессивные элементы те, которые до заполнения внешней оболочки не дотянули самую малость. Припомните: по окончании мировых футбольных чемпионатов слезы на глазах обычно у игроков команды, занявшей второе место, – они были так близки к цели…

Итак, химический темперамент атома связан с числом его электронов на внешнем уровне. У нашего фтора таких семь, а в его крайней оболочке восемь мест. То есть не занято всего одно место, и это буквально бесит фтор. Он неустанно ищет себе восьмой электрон у других атомов и молекул и не успокоится, пока не заполнит последнее свободное место в своей внешней оболочке.

Впрочем, в этой проблеме фтор не одинок. Почти все элементы основных групп периодической системы хотели бы иметь по восемь электронов на внешнем уровне. Это страстное желание называют правилом октета. Название вводит в заблуждение в том смысле, что это не твердое правило в рамках физических законов – речь всего лишь о модели. Впрочем, об очень практичной, тесно связанной с оболочечной моделью. Правило октета не только объясняет, какие элементы особенно реактивны, но и подсказывает, какие реактанты подходят друг другу. У каждого элемента есть потребности, и выполнение правила октета может быть одной из них. Химические реакции и соединения происходят для удовлетворения этих потребностей. (По сути, в общем-то, как и у людей.)

Фтор – как младенец, который голоден и потому бузит. Его покормишь, и он успокоится. (Тут родители могут иметь другую точку зрения…) Как только фтор вступает в соединение, дарующее ему столь страстно желаемый восьмой электрон, такого больше не происходит.

Что же все это значит для моей сковородки? В тефлоне фтор связан с углеродом, у которого есть характерная особенность щедро делиться электронами и оболочками с другими атомами. (Как именно выглядит такое соединение, выясним в главе 8.) Чтобы извлечь фтор из этого благополучного для него состояния, потребовалось бы затратить очень много энергии. Тефлон пришлось бы нагреть до температуры выше 360 °C, чтобы разрушить соединения; рекомендуемая максимальная температура для тефлоновых сковородок – 260 °C (Кстати, для моей яичницы оптимальны всего 83 °C – при этой температуре сворачивается яичный белок.)

Итак, согласно правилу октета, атомы фтора и углерода в моей сковородке достигли всего, чего только может достичь элемент: заполненной внешней оболочки. Химическое соединение между фтором и углеродом сродни идеальному браку: никто из партнеров не заглядывается на другие атомы и молекулы. Даже на очень привлекательные белки моей шкварчащей на сковородке яичницы.

Когда на сковороде остаются прилипшие остатки еды, это тоже не что иное, как взаимодействие между молекулами. Но тефлон не проявит интереса к моей яичнице, как не заинтересуется вообще ничем съедобным. Может быть, содержащийся в сковороде фтор который раз вспоминает свою лихую молодость, когда он был фтороводородной кислотой, и несказанно рад, что та часть его жизни навсегда осталась в прошлом. «У меня есть все, чего хочу, оставьте меня в покое», – думает он. В то время как моя яичница говорит: «Ну и ладно, меня здесь вообще не было». И вся без остатка соскальзывает на тарелку.

Фториды в зубной пасте тоже довольны жизнью, как и атомы фтора в сковороде. Выше я упоминала, что у не имеющего заряда атома одинаковое количество электронов и протонов – таким образом электрические заряды взаимно компенсируются. Но атом может быть и заряженным, тогда он называется ионом. Отрицательно заряженный ион называется анионом, он возникает, когда электронов в нем оказывается больше, чем протонов. Когда электронов меньше, чем протонов, положительно заряженный ион называется катионом. Катионам не дают названий с каким-то определенным окончанием. Окончание – ид в слове «фторид» подсказывает, что мы имеем дело с отрицательно заряженным ионом: кто-то одарил фтор электроном, которого он так горячо желал. Теперь, будучи просто заряженным анионом с восемью электронами на внешнем уровне, фторид выполнил правило октета и всем доволен.

Как же свершилось это счастье? Пылким партнером и реактантом стал элемент натрий, входящий в первую основную группу периодической системы и относящийся к щелочным металлам^[8]. Натрий (обозначается как Na) знаком нам по хлориду натрия – поваренной соли. Однако в соли содержится не чистый натрий как элемент, а его катион с положительным зарядом, соединенный с анионом хлора. И вы наверняка с чистым натрием никогда не встречались. Поскольку так же, как в природе нет элементарного фтора, нет и такого натрия.

Натрий – это блестящий металл серого цвета; он настолько мягкий, что его можно резать ножом. Звучит мило, но если натрий бросить в воду, он будет интенсивно реагировать. (Как это происходит, можно посмотреть на YouTube; главное – сами не повторяйте.) Так что натрий – еще один агрессивный кандидат в партнеры и идеальный реактант для фтора. Дело в том, что электронов-то атому натрия хватает, но в его внешней оболочке, как и у всех щелочных металлов, есть одинокий электрон, который с бо́льшим удовольствием покинул бы этот атом, чем дальше торчать там в одиночку. Так что от этого электрона натрий хочет избавиться, причем чем скорее, тем лучше. И как хорошо, если кто-нибудь подоспеет со фтором – так оба элемента могут выполнить правило октета. А вместе они дадут соль фторид натрия (или фтористый натрий) – ту самую, что содержится в зубной пасте. (Тот же принцип, кстати, действует для натрия и хлора, дающих нам пищевую соль – хлорид натрия.) Фтор в зубной пасте не особенно реактивен, но это вовсе не означает, что он не токсичен. Может, он все-таки ядовит? Смерть от зубной пасты? Зачем вообще в пасте фторид? Мне сейчас так или иначе надо почистить зубы, поэтому давайте проясним это дело в ванной комнате.