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, а также присутствуют во всех биомолекулах.

А теперь пришло время представить вам молекулу, например, воды. Молекула состоит из нескольких атомов, соединенных между собой, и обладает свойствами, совершенно отличными от свойств атомов, которые ее образуют. В подавляющем большинстве случаев в природе атомы не существуют сами по себе, «отдельно», потому что стремятся либо связаться друг с другом, либо терять или приобретать электроны, чтобы достичь большей стабильности. К примеру, мы дышим кислородом, но молекулярным – его молекула состоит из двух атомов кислорода, соединенных между собой (О2), а пьем воду, в молекулах которой атом кислорода соединен с двумя атомами водорода (Н2О). В химической формуле нижний индекс указывает количество атомов элемента, содержащихся в молекуле. Например, химическая формула метана (СН4) показывает, что молекула этого газа состоит из четырех атомов водорода и одного углерода.

Иные атомы, имеющие тенденцию к одинокому существованию, теряют и обретают электроны, что превращает их в химические элементы, именуемые ионами. Например, атом натрия состоит из 23 протонов, заряженных положительно, и 23 электронов, заряженных отрицательно (помимо нейтронов, которые не так интересны нам, химикам). Однако натрий, который находится в минеральной воде, обладает всего 22 электронами и поэтому заряжен положительно – потеряв электрон, он утрачивает и его отрицательный заряд. Это отличие кажется минимальным, но имеет весьма важное значение: чистый натрий обладает высокой взрывоопасностью, поскольку реагирует с водой крайне агрессивно, а вот ионы натрия (Na+) абсолютно необходимы для нашей жизни. Точно так же и молекулы хлора, состоящие из двух связанных между собой атомов (Cl2), образуют желтоватый ядовитый газ, чрезвычайно токсичный и опасный. Но если атом хлора обретает лишний электрон, он превращается в ион хлора (Cl-), без которого не может обойтись практически ни один живой организм. Обычная поваренная соль, хлорид натрия (NaCl), состоит из двух ионов – иона натрия (заряженного положительно) и иона хлора (заряженного отрицательно)!

Хлор обнаруживается и в других соединениях, таких как гипохлорит натрия (NaClO), или обычном отбеливателе, соляной кислоте (HCl), которую используют для прочистки труб, снятия известкового налета, для получения перхлоратов, применяющихся в разных отраслях промышленности.

Аналогичные примеры, в которых один и тот же элемент может проявлять самые разные качества в зависимости от способа соединения с другими элементами, мы встретим в этой книге и далее, но уже сейчас понятно, что на это надо постоянно обращать внимание. Запутаться во всех этих сведениях очень просто, если не разделять химический элемент и его соединения.

Конечно, весьма часто мы используем названия химических элементов, говоря на самом деле об их соединениях. Даже в этой книге я часто упоминаю такие выражения, как «нехватка железа»: но при этом я совсем не предлагаю закусить металлической стружкой, чтобы восполнить запасы железа в организме. Как правило, это распространенная и приемлемая форма упрощения. Главное – это видеть суть и понимать, чтó стоит за подобными сокращениями при обсуждении острых вопросов.

Щепотка натрия и гималайская соль

– Е-е-е-е-есть тут кто-ни-и-и-и-будь?

Герой рекламного ролика – частица натрия, одиноко и безнадежно плавающая в минеральной воде^[4], – служит прекрасным примером фундаментального для химии понятия, к сожалению, часто игнорируемого: концентрации.

Концентрация – способ показать, какое количество определенного вещества содержится в смеси, содержащей несколько видов молекул разных веществ. Например, типичная концентрация натрия в минеральной воде составляет 5 мг/л.

Короче говоря, это означает, что два литра воды содержат 10 мг ионов натрия (один миллиграмм соответствует тысячной доли грамма, то есть 0,001 г).

Понятие концентрации является фундаментальным для ориентации в мире, что нас окружает, и умения выделять важное в том массиве информации, который на нас ежедневно вываливают массмедиа и социальные сети. Кто из нас не видел в Интернете сообщения типа: «Ученые открыли, что продукт Х вызывает рак/ожирение/диабет/чесотку, потому что содержит вещество Y»? Или: «Ученые обнаружили, что продукт Х защищает от рака/приводит к похудению/омолаживает/приводит к выигрышу в лотерее, поскольку содержит вещество Z».

Увы, речь, как правило, идет о таких небольших количествах, что они не могут оказать вообще никакого влияния или их положительный эффект будет сведен на нет вредным влиянием других веществ. И с этой точки зрения, наша частица натрия служит прекрасным примером. Как мы уже говорили ранее, натрий является важнейшим элементом для нашего здоровья и участвует во многих важных физиологических процессах. Он входит не только в состав поваренной соли, но и почти всех продуктов питания, он присутствует и в рыбе, и в мясе, во фруктах и овощах. Натрий входит и в состав так называемых минеральных солей, соединений элементов, совершенно необходимых для выживания: натрий, калий, магний, марганец и т. д.

Таким образом, натрий определяет и наше физическое состояние. И тем не менее, все знают, что из-за него повышается давление, он вреден, поэтому рекомендуется ограничить содержание соли в пище. Так натрий вреден или полезен? Ответ зависит от количества. Гипонатриемия, при которой содержание натрия в крови становится слишком низким, сопровождается, в зависимости от тяжести заболевания, разными симптомами: от простого недомогания до брадикардии, комы и даже смерти. По этой причине, когда в больнице врач решает, что нам нужна гидратация посредством капельницы, нам вливают сначала не просто воду, а физраствор с содержанием 0,9 % хлорида натрия, и только потом очищенную воду. При дегидратации человек может иметь и повышенную концентрацию натрия в крови (гипернатриемия): и в этом случае симптомы тоже могут быть очень серьезными, вплоть до смерти.

Еще более ярким примером служит калий. Он необходим для жизни, в основном для передачи нервных импульсов, но при этом используется для остановки сердца приговоренных к смертной казни. Как писал Парацельс: «Всё есть яд, и всё есть лекарство. Только доза делает лекарство ядом и яд лекарством».

Поэтому при покупке продуктов всегда следует помнить о концентрации, чтобы не стать жертвой рекламных слоганов, использующих присутствие или отсутствие той или иной молекулы.

Например, в последние годы на полках супермаркетов появились упаковки разноцветной соли из разных источников: розовая гималайская, серая из Бретани или какая-нибудь желтая из тьмутаракани.

Этим продуктам приписываются чудодейственные лечебные свойства, связанные с содержанием минеральных солей, глины, растительных углей и еще чего-нибудь эдакого. Эти вещества содержатся в этой «экзотической» соли и отсутствуют в обычной поваренной. Например, глина придает соли из Бретани характерный цвет. Но проблема в том, что эти элементы присутствуют в столь малых количествах, что, чтобы получить необходимую для организма порцию, нужно поглотить такое количество соли, что плохо станет непременно.

Во всех этих случаях мы говорим о солях, которые больше чем на 95 % состоят из хлорида натрия. Некоторые производители осмелились даже продавать цветную соль с примечанием «пониженное содержание натрия», хотя вместо 99 % они содержали 95 % хлорида натрия. Делать подобные заявления не считается мошенничеством, но покупатель должен остерегаться обмана!

И еще один пример: согласно данным Общества человеческого питания Италии (SINU), каждому из нас необходимо в день потреблять от 10 до 18 мг железа. Розовая гималайская соль, которая своим цветом обязана именно железу, содержит не более 30 мг железа на килограмм соли. Попробуйте подсчитать, сколько соли вам нужно съесть, чтобы достичь дневной нормы железа; также вы можете проверить, сколько железа содержится в шести граммах соли, представляющих собой нашу ежедневную нормальную порцию NaCl.

Аналогичные дискурсы можно встретить в самых разных областях человеческого существования. Коричневый тростниковый сахар, с химической точки зрения, почти не отличается от обычного рафинированного. Единственная разница – дополнительный 1 % «нутриентов»: это смешное количество. А некоторые производители просто добавляют немного патоки в рафинированный сахар, чтобы «превратить» его в тростниковый. В этом приеме нет ничего противозаконного – конечный продукт соответствует всем требуемым характеристикам и не несет риска для здоровья.

От неорганических соединений к органике: что нам нужно для жизни?

Выражение «минеральные соли» нельзя назвать правильным с точки зрения химии, но оно используется для идентификации около пятнадцати неорганических элементов, необходимых для жизни. Термин неорганический, наоборот, весьма точен: он обозначает соединения, которые не содержат цепочек из атомов углерода, в противоположность соединениям органическим. Сахароза (кулинарный сахар), протеины, ДНК, витамин Е и жиры являют собой примеры органических соединений. В их составе углерод служит строительными лесами для молекулы – и эти строительные леса могут быть огромными. Самыми простыми органическими молекулами являются так называемые углеводороды, они состоят из углерода и водорода. В качестве примера можно привести метан (CH4) и бутан (C4H10), но существуют и намного более сложные молекулы, сформированные десятками и сотнями атомов углерода. Иные молекулы содержат и другие элементы. Например, кислород присутствует в составе сахаров и спиртов (этиловый спирт CH3CH2OH), азот – в белках и многих натуральных продуктах.

Неорганические соединения, как правило, намного проще и состоят всего из нескольких атомов: сульфат-ион содержит серу и кислород (SO42-), нитрат-ион – азот и кислород (NO3-), аммиак – азот и водород (NH3) и т. д.