Химия света

• Окисление и восстановление

Химия изучает вещества и их взаимодействия. Все химические вещества можно разделить по принципу «окислители – восстановители». Окислители – это те, которые забирают, оттягивают на себя (якобы «электроны»), восстановители – те, которые восстанавливают, т.е. отдают. Между ними существует стремление к нейтральному состоянию, равновесию.

Металлы и неметаллы

Наибольшее значение в химии имеют два элемента – водород и кислород. Водород – это первый элемент в таблице Менделеева и самый распространенный элемент во вселенной. Его по праву можно считать родоначальником всех металлов. В реакциях он проявляет свойства восстановителя.

Кислород – это восьмой элемент в таблице Менделеева, является самым распространенным элементом на Земле. Он является сильным окислителем. В соединении с водородом образует химически нейтральное вещество – воду. Является ярчайшим представителем неметаллов.

Кислоты и щелочи

Соединения кислорода и водорода с другими химическими элементами можно разделить на кислоты и щелочи (основания). Причем, соединение с неметаллами образует кислоты (серная, соляная и т.д.), а соединение с металлами – щелочи.

Кислоты на вкус кислые, они проявляют агрессивные свойства – сжигают, разъедают материю, проникая внутрь. Щелочи на ощупь мыльные, они обволакивают снаружи и разделяют вещество на мельчайшие частицы.

Кислоты и щелочи нейтрализуют друг друга, образуя соли (соединения металла и неметалла) и воду (соединение водорода и кислорода). Обратите внимание, что и вода, и кристаллы соли обладают свойством оптической прозрачности.

Металлические и неметаллические свойства

Чем же отличаются металлы от неметаллов? Металлы имеют металлический блеск, т.е. хорошо отражают свет. Они обладают такими свойствами как ковкость, теплопроводность, электропроводность. При нагревании они плавятся.

Наиболее общее свойство неметаллов – способность поляризовать химическую связь, оттягивая на себя общие «электронные пары». Электропроводностью они не обладают.

Неметаллы с примесью металлов образуют полупроводники, без которых немыслима нынешняя цивилизация. Полупроводники могут проявлять как свойства металлов (проводимости), так и свойства неметаллов (изоляторов), в зависимости от температуры.

Таким образом, главное отличие металлов от неметаллов состоит в их отношении к электромагнитным волнам.

В чем же состоит разница между поведением металла и поведением неметалла? И почему электромагнитная волна так хорошо распространяется в металлах и так плохо – в неметаллах? Можно ли объяснить это различие без планетарной модели атома?

Кто разбивал ртутный термометр, видел, как он разбивался на множество упругих шариков. На мой взгляд, эта картина наиболее ярко отражает свойства металлов. Металлы по своей структуре представляют множество элементов, стремящихся к форме идеального шара. Именно это является причиной его металлического блеска. Свет (волна) от такой поверхности легко отражается во все стороны. Этим же свойством обеспечивается распространение волны в проводнике.

Неметаллы нельзя описать какой-либо внятной структурной моделью. Скорее всего, сложность строения у них возрастает из группы в группу. Образно их форму можно представить себе как внутреннюю (впуклую) поверхность шара. То есть более активной у них является внутренняя поверхность.

Притяжение веществ с противоположными свойствами можно сравнить с собиранием пазлов: каждая выпуклость стремится найти подходящую вогнутость. Если же это не представляется возможным, то происходит образование не парных, а более сложных структур, состоящих из трех и более элементов.

Химия и оптика

Казалось бы, что может объединять химию и оптику? Первая изучает вещества, материю, вторая – волны. Но связь между ними самая непосредственная.

Каждое вещество обнаруживает себя и свои свойства именно при взаимодействии с другими веществами. А наиболее полно характеристики взаимодействий отражены в электромагнитном спектре. Спектральный анализ излучаемых волн позволяет получить информацию и о химическом составе вещества.

Явления излучения, поглощения, отражения и преломления – это все электромагнитные явления. Когда говорят, что угол падения равен углу отражения, представляют, что падающий луч и отраженный – это две полупрямые, лежащие в одной плоскости. На самом же деле волны – это пространственные, объемные явления, и процессы отражения, преломления и поглощения представляют собой более сложные пространственные модели. Учитывая это, можно глубже понять механизм и взаимосвязь этих интересных физических явлений.

Например, что такое преломление? Почему оно происходит? Современная физика объясняет это изменением скорости света в разных средах. Такое объяснение мало что проясняет, ведь само понятие «скорость света» с трудом поддается определению. Поэтому давайте попробуем объяснить явление преломления с точки зрения взаимодействия излучателя света с объектом, поглощающим свет.

Взаимодействие излучателя с поглощателем схематично можно представить в виде следующей модели:

На рисунке изображены два колеса разного диаметра, соединенные взаимно с помощью ременной передачи: ось малого колеса – с окружностью большого и ось большого – с окружностью малого. При вращении колес относительно друг друга, эти ремни будут вращаться с разной «скоростью» и в разных направлениях. Эта модель иллюстрирует «разницу скоростей света» в различных средах. Хотя, как мы видим, на скорость взаимодействия это никоим образом не влияет.

Вы спросите, как эта модель может отражать взаимодействие химических веществ или электромагнитных волн, ведь она не является объемной? Дело в том, что любое информационное взаимодействие, которое мы можем математически описать, всегда происходит в некой рассматриваемой плоскости. Именно поэтому мы не можем сравнивать кислое с круглым. Любое явление при изучении мы сначала раскладываем мысленно на множество признаков, свойств, каждое из которых характеризует его в определенной плоскости взаимодействий. Свет же несет в себе всю полноту информации об излучающем объекте. А процесс взаимодействия со светом раскрывает всю полноту информации о веществе, которое является чем-то химически целостным, единым, несмотря на сложный состав.

Разбиение изучаемого вещества на мелкие части или разложение на отдельные составляющие в результате воздействия другими веществами, т.е. химический анализ, не даст такой полной информации о структуре вещества, как свет. Мы можем лишь догадываться и строить разные модели, как это все взаимодействует на самом деле, но только свет (электромагнитная волна) показывает истинную картину и при этом позволяет выразить эту информацию количественно и достаточно точно.