Catus Roasters
Блог о кофе
Делай кофе вкусно просто
"Вода для кофе"
Распространение знаний по химии и физике требует тщательного подхода. Предполагаем ли мы базовое понимание физических наук? Возможно, лучше начать с самых основ, даже рискуя потерять интерес у более искушённой аудитории? В конце концов, мы решили, что единственный способ донести наши концепции — это выстраивать их с нуля, не заставляя вас слепо верить науке. Однако этот подход требует пояснений. Наука и научный метод не должны быть загадкой, а представляют собой способ мышления, позволяющий людям лучше понять самих себя и окружающий мир. Как и вся наука, «правильный ответ» постоянно меняется. Доказательства, противоречащие современным теориям, не отвергаются, а, наоборот, принимаются. Такие данные побуждают нас проверять свои теории с целью их улучшения, а также мотивируют учёных проводить более контролируемые эксперименты. В основе научных экспериментов лежит принцип повторяемости. Если тот же самый эксперимент будет выполнен в любое время, результат должен быть одинаковым. Но наука невозможна без коммуникации. Для тех, кто изучал физику, мы опускаем многие темы и порой намеренно упрощаем их, чтобы объяснить философскую концепцию, а не математику, лежащую в её основе. Мы не сочли необходимым, например, вводить физику сильных ядерных взаимодействий. Мы также не увидели смысла приводить математические доказательства для каждой формулы, использованной в этом документе.
Для тех, кто изучал химию, вы знаете, как легко увязнуть в обсуждениях, насыщенных сложной терминологией. Здесь мы представляем множество химических концепций в упрощённой форме. Наша цель — развивать химическую интуицию. Таким образом, мы свели многие идеи современной химии в короткий и понятный документ. Для тех, кто никогда не изучал естественные и/или физические науки формально, мы сделали всё возможное, чтобы эта книга была доступной, интересной и полезной.
Для тех, кто изучал химию, вы знаете, как легко увязнуть в обсуждениях, насыщенных сложной терминологией. Здесь мы представляем множество химических концепций в упрощённой форме. Наша цель — развивать химическую интуицию. Таким образом, мы свели многие идеи современной химии в короткий и понятный документ. Для тех, кто никогда не изучал естественные и/или физические науки формально, мы сделали всё возможное, чтобы эта книга была доступной, интересной и полезной.
Химия с самого начала
I. Рождение вселенной
Хотя не существует единственного надёжного объяснения того, откуда появилась материя, существует множество теорий о том, как мы дошли до того, чтобы читать и писать эту книгу. Вместо того чтобы углубляться в эти теории, давайте "перемотаем" время вперёд до момента, когда масса вселенной достигла постоянного состояния. Представим себе, что эта масса состоит из шариков. Представьте, что вы помещаете один шарик в непрозрачную закрытую коробку и начинаете её трясти. В любой момент времени можно с уверенностью сказать, что шарик находится внутри коробки, но невозможно точно определить, где именно внутри. Его местоположение определяется распределением плотности (Рисунок 1а). Это распределение имеет форму, похожую на гауссовскую кривую: то есть, с наибольшей вероятностью шарик находится в центре распределения, а вероятность плавно уменьшается по мере отклонения от этой точки. Добавление второго шарика приводит к их взаимодействию — либо они отскакивают друг от друга, либо вовсе не касаются друг друга (Рисунок 1b). Здесь их функции плотности перекрываются, а взаимодействие определяется величиной этого перекрытия. Мы можем продолжать заполнять коробку, пока все шарики во вселенной не окажутся внутри неё (Рисунок 1c). В этот момент можно быть достаточно уверенным, что если мы закроем коробку, а затем снова откроем её, количество шариков останется неизменным. Однако существует вероятность, что шарики могут локализоваться в одной и той же точке пространства, полностью перекрываясь друг с другом, таким образом формируя сингулярность (Рисунок 1d). Сингулярность представляет собой состояние высокой плотности и высокой энергии, которое является нестабильным и быстро взрывается, разбрасывая шарики во все стороны. Хотя такие события крайне маловероятны, они действительно иногда происходят в реальной жизни. Этот философский вводный пример знаменует начало нашего короткого путешествия к лучшему пониманию воды.
I. Рождение вселенной
Хотя не существует единственного надёжного объяснения того, откуда появилась материя, существует множество теорий о том, как мы дошли до того, чтобы читать и писать эту книгу. Вместо того чтобы углубляться в эти теории, давайте "перемотаем" время вперёд до момента, когда масса вселенной достигла постоянного состояния. Представим себе, что эта масса состоит из шариков. Представьте, что вы помещаете один шарик в непрозрачную закрытую коробку и начинаете её трясти. В любой момент времени можно с уверенностью сказать, что шарик находится внутри коробки, но невозможно точно определить, где именно внутри. Его местоположение определяется распределением плотности (Рисунок 1а). Это распределение имеет форму, похожую на гауссовскую кривую: то есть, с наибольшей вероятностью шарик находится в центре распределения, а вероятность плавно уменьшается по мере отклонения от этой точки. Добавление второго шарика приводит к их взаимодействию — либо они отскакивают друг от друга, либо вовсе не касаются друг друга (Рисунок 1b). Здесь их функции плотности перекрываются, а взаимодействие определяется величиной этого перекрытия. Мы можем продолжать заполнять коробку, пока все шарики во вселенной не окажутся внутри неё (Рисунок 1c). В этот момент можно быть достаточно уверенным, что если мы закроем коробку, а затем снова откроем её, количество шариков останется неизменным. Однако существует вероятность, что шарики могут локализоваться в одной и той же точке пространства, полностью перекрываясь друг с другом, таким образом формируя сингулярность (Рисунок 1d). Сингулярность представляет собой состояние высокой плотности и высокой энергии, которое является нестабильным и быстро взрывается, разбрасывая шарики во все стороны. Хотя такие события крайне маловероятны, они действительно иногда происходят в реальной жизни. Этот философский вводный пример знаменует начало нашего короткого путешествия к лучшему пониманию воды.
Рисунок 1. Отдельную частицу можно представить в виде делокализованной функции, похожей на гаусовскую, a. Две частицы взаимодействуют в некоторой степени, перекрывая хвосты функции локализации, b. Те же функции могут быть использованы для описания взаимодействия всех частиц друг с другом в некоторой степени, c. Если все частицы локализуются в одной точке, d, они отталкиваются с высокой энергией. Примером частицы является атом водорода, e, состоящий из одного протона H* (красная точка) и электрона e (серая точка).
Рисунок 2. Электронейтральность достигается на фундаментальном уровне за счёт сочетания одного протона и одного электрона. Однако это может происходить двумя способами: 1) за счёт «захвата» электрона ядром с образованием нейтрона (белый), или 2) за счёт того, что электрон занимает область пространства вокруг ядра, формируя атом водорода. Более тяжёлые изотопы водорода образуются при включении избыточных нейтронов в ядро. Таким образом, два известных изотопа водорода — это ²H (или D, дейтерий) и ³H (или T, тритий)
2 Ядерный синтез
Предположим, что в начале существования Вселенной (в бесконечно большой коробке) было конечное количество частиц. Эти частицы состояли из положительно заряженного вида — протона (H⁺) — и отрицательно заряженного вида — электрона (e⁻); они соединялись вместе, образуя атом водорода (¹H) (Рисунок 1e). Атом устроен таким образом, что ядро содержит тяжёлые субатомные частицы (протоны и нейтроны), а электроны располагаются в облакообразных зонах вокруг ядра.
Плотность атомов водорода во Вселенной неоднородна. Действительно, "пространство" в основном пусто, но в туманностях (местах зарождения звёзд) плотность и энергия значительно выше. Величина этой энергии позволяет происходить многим ядерным реакциям, которые обычно имеют настолько высокие энергии активации, что они неконтролируемы на Земле. Самой важной из этих реакций является столкновение и слияние одного электрона и протона, формирующее нейтральный по ядерному заряду вид — нейтрон (показан белым цветом на Рисунке 2). Этот нейтрон предпочитает находиться внутри ядра (вместе с протоном); добавление одного нейтрона в ядро атома водорода (¹H) образует "тяжёлый водород", или дейтерий (²H, Рисунок 2). Увеличение массы за счёт включения дополнительных нейтронов даёт доступ к изотопам. Добавление второго нейтрона в ядро дейтерия приводит к образованию ещё одного изотопа — трития (³H). Этот процесс может продолжаться, но с каждым дополнительным нейтроном водородное ядро становится всё более нестабильным.*
Предположим, что в начале существования Вселенной (в бесконечно большой коробке) было конечное количество частиц. Эти частицы состояли из положительно заряженного вида — протона (H⁺) — и отрицательно заряженного вида — электрона (e⁻); они соединялись вместе, образуя атом водорода (¹H) (Рисунок 1e). Атом устроен таким образом, что ядро содержит тяжёлые субатомные частицы (протоны и нейтроны), а электроны располагаются в облакообразных зонах вокруг ядра.
Плотность атомов водорода во Вселенной неоднородна. Действительно, "пространство" в основном пусто, но в туманностях (местах зарождения звёзд) плотность и энергия значительно выше. Величина этой энергии позволяет происходить многим ядерным реакциям, которые обычно имеют настолько высокие энергии активации, что они неконтролируемы на Земле. Самой важной из этих реакций является столкновение и слияние одного электрона и протона, формирующее нейтральный по ядерному заряду вид — нейтрон (показан белым цветом на Рисунке 2). Этот нейтрон предпочитает находиться внутри ядра (вместе с протоном); добавление одного нейтрона в ядро атома водорода (¹H) образует "тяжёлый водород", или дейтерий (²H, Рисунок 2). Увеличение массы за счёт включения дополнительных нейтронов даёт доступ к изотопам. Добавление второго нейтрона в ядро дейтерия приводит к образованию ещё одного изотопа — трития (³H). Этот процесс может продолжаться, но с каждым дополнительным нейтроном водородное ядро становится всё более нестабильным.*
Максвелл. Краткое изложение
Вселенная определяется взаимодействиями. Принципы, лежащие в основе нашего существования, могут казаться далекими от чашки кофе, но именно на этих строительных блоках мы основываем всё. Это касается даже мытого Йиргачеффа, который вы заварили на завтрак сегодня утром. Это длинный, но стоящий того путь.
Периодическая таблица
Мы знаем, что во Вселенной существуют элементы помимо водорода. На самом деле, элемент определяется количеством протонов в ядре; атомный заряд определяется разницей между числом протонов и электронов; атомная масса определяется суммой количества протонов и нейтронов. Учитывая, что мы описали только, как формируются изотопы водорода, для формирования других элементов требуется иной тип слияния.
Рассмотрим случай, когда два атома водорода сливаются, чтобы образовать часть ядра гелия. \(^2He\) — это нестабильный изотоп: добавление двух нейтронов в ядро приводит к образованию стабильного изотопа \(^4He\), показанного в верхней части рисунка 3.+
Образование \(^4He\) выделяет большое количество тепловой энергии и является физическим процессом, который постоянно происходит на Солнце. Этот процесс ядерного синтеза водорода в звездах называется основной последовательностью. После того как весь водород будет израсходован, более тяжелые элементы начинают формироваться по аналогичным схемам.
- Изотопы — это один и тот же элемент, но с разным числом нейтронов в ядре. Однако способ формирования изотопов водорода, описанный здесь, является лишь приближением. Дейтерий и тритий образуются через немного другую ядерную реакцию. Тем не менее, представленный здесь метод достаточно точен для понимания.
- Нейтроны выступают в роли ядерного клея. Чем больше протонов в ядре, тем больше нейтронов требуется, чтобы удерживать его вместе. Очень общее правило заключается в том, что на каждый протон в ядре стабильного изотопа приходится как минимум один сопровождающий его нейтрон.
Вселенная определяется взаимодействиями. Принципы, лежащие в основе нашего существования, могут казаться далекими от чашки кофе, но именно на этих строительных блоках мы основываем всё. Это касается даже мытого Йиргачеффа, который вы заварили на завтрак сегодня утром. Это длинный, но стоящий того путь.
Периодическая таблица
Мы знаем, что во Вселенной существуют элементы помимо водорода. На самом деле, элемент определяется количеством протонов в ядре; атомный заряд определяется разницей между числом протонов и электронов; атомная масса определяется суммой количества протонов и нейтронов. Учитывая, что мы описали только, как формируются изотопы водорода, для формирования других элементов требуется иной тип слияния.
Рассмотрим случай, когда два атома водорода сливаются, чтобы образовать часть ядра гелия. \(^2He\) — это нестабильный изотоп: добавление двух нейтронов в ядро приводит к образованию стабильного изотопа \(^4He\), показанного в верхней части рисунка 3.+
Образование \(^4He\) выделяет большое количество тепловой энергии и является физическим процессом, который постоянно происходит на Солнце. Этот процесс ядерного синтеза водорода в звездах называется основной последовательностью. После того как весь водород будет израсходован, более тяжелые элементы начинают формироваться по аналогичным схемам.
- Изотопы — это один и тот же элемент, но с разным числом нейтронов в ядре. Однако способ формирования изотопов водорода, описанный здесь, является лишь приближением. Дейтерий и тритий образуются через немного другую ядерную реакцию. Тем не менее, представленный здесь метод достаточно точен для понимания.
- Нейтроны выступают в роли ядерного клея. Чем больше протонов в ядре, тем больше нейтронов требуется, чтобы удерживать его вместе. Очень общее правило заключается в том, что на каждый протон в ядре стабильного изотопа приходится как минимум один сопровождающий его нейтрон.
Рисунок 3 Для формирования более тяжёлых элементов требуется дальнейший процесс слияния. В самом простом случае два атома водорода сливаются с добавлением двух нейтронов, образуя гелий \(^{4}He\). Продукт слияния двух атомов водорода без добавления нейтронов (\(^{2}He\)) является нестабильным. Далее возможны другие комбинации слияния, такие как показано здесь. Эти реакции требуют большого количества энергии для начала, но затем высвобождают ещё больше энергии при формировании нового элемента. Реакции слияния выделяют энергию до образования железа (\(^{60}Fe\)), после чего формирование более тяжёлых элементов и изотопов начинает требовать затраты энергии, и процесс слияния прекращается.
После накопления большого количества железа в ядре звезды она начинает коллапсировать под собственным весом. Этот быстрый рост плотности приводит к взрыву, подобному описанному на Рисунке id. Этот взрыв, называемый сверхновой, обеспечивает энергию для продолжения процесса слияния за пределы \(^{56}Fe\), что позволяет формироваться более тяжёлым элементам. Одновременно этот взрыв разбрасывает вновь сформированные тяжёлые элементы по всей Вселенной, завершая формирование остальной части периодической таблицы (показанной на следующей странице). Таблица составлена с учётом двух фундаментальных принципов химии. Первый из них заключается в том, что элементы действительно обладают периодичностью. Это означает, что элементы в одном и том же столбце имеют схожие свойства. Например, это видно на примере благородных газов, или группы 18, начинающейся с гелия. Все они являются инертными газами.
Второй принцип заключается в том, что элементы упорядочены по увеличению числа протонов (возможно, это очевидный выбор). Однако происхождение формы периодической таблицы более сложное. Мы не будем углубляться в то, почему она имеет именно такую форму, за исключением следующего комментария: её форма определяется математическими положениями, которые могут занимать электроны, и электроны имеют тенденцию объединяться в пары. Первая (левая) область может вместить одну пару, следующая (правая) — три, затем пять (средняя) и так далее. Существуют целые учебники, полные сложной математики, посвящённой только этой теории. Если вам интересно, вы можете найти дополнительную информацию о "атомных орбиталях". Но пока вам придётся просто поверить, что мы знаем, о чём говорим.
Изображение взято с сайта https://dzen.ru/a/XvN9Q_or8FwaUx3-
Изображение взято с сайта https://dzen.ru/a/XvN9Q_or8FwaUx3-
Кроме того, периодическая таблица содержит гораздо больше информации:
- Атомный номер: Числовое значение, показывающее количество протонов в ядре (и, следовательно, количество электронов в окружении электрона в нейтральном состоянии элемента).
- Атомная масса: У одного элемента может быть множество изотопов. Атомная масса равна средневзвешенному значению масс естественно встречающихся изотопов. Например, ¹²C является наиболее стабильным изотопом углерода, но атомная масса равна 12,0107, потому что ¹³C также стабилен и существует с относительным содержанием около 1%. Также присутствуют уменьшающиеся количества более лёгких и тяжёлых изотопов.
- Атомный номер: Числовое значение, показывающее количество протонов в ядре (и, следовательно, количество электронов в окружении электрона в нейтральном состоянии элемента).
- Атомная масса: У одного элемента может быть множество изотопов. Атомная масса равна средневзвешенному значению масс естественно встречающихся изотопов. Например, ¹²C является наиболее стабильным изотопом углерода, но атомная масса равна 12,0107, потому что ¹³C также стабилен и существует с относительным содержанием около 1%. Также присутствуют уменьшающиеся количества более лёгких и тяжёлых изотопов.
Мысли Максвелла
Как это здорово, правда? Как видите - пути появления элементов различны! - Название и символ элемента: они помогают нам использовать общий язык для обозначения элементов. Некоторые названия происходят из других языков, а символы могут соответствовать этим иностранным названиям. Например, олово, Sn; символ происходит от латинского слова *stannum*. В данном случае представлена английская версия периодической таблицы. Наша сокращённая периодическая таблица В контексте книги «Вода для кофе» нам не нужно рассматривать все элементы периодической таблицы. Если в вашей воде есть свинец, у вас гораздо большие проблемы, чем научные нюансы того, что мы исключили его из Рисунка 4. На протяжении всей книги мы будем ссылаться на приведённую ниже периодическую таблицу, Рисунок 4, как на нашу периодическую таблицу, актуальную для органической химии и кофе.
Как это здорово, правда? Как видите - пути появления элементов различны! - Название и символ элемента: они помогают нам использовать общий язык для обозначения элементов. Некоторые названия происходят из других языков, а символы могут соответствовать этим иностранным названиям. Например, олово, Sn; символ происходит от латинского слова *stannum*. В данном случае представлена английская версия периодической таблицы. Наша сокращённая периодическая таблица В контексте книги «Вода для кофе» нам не нужно рассматривать все элементы периодической таблицы. Если в вашей воде есть свинец, у вас гораздо большие проблемы, чем научные нюансы того, что мы исключили его из Рисунка 4. На протяжении всей книги мы будем ссылаться на приведённую ниже периодическую таблицу, Рисунок 4, как на нашу периодическую таблицу, актуальную для органической химии и кофе.
Рисунок 4. Наша усечённая периодическая таблица, включающая электроотрицательности по Полингу и некоторые стабильные степени окисления. Природа и прочность связи между ядрами зависят от электронных свойств взаимодействующих атомов. Молекулы, которые полностью ионизированы (то есть существуют в виде пар ионов), удерживаются вместе за счёт электростатического притяжения. Эти молекулы, как правило, имеют электроотрицательности на противоположных концах шкалы Полинга: они крайне поляризованы и, следовательно, полностью ионизированы. Молекулы с электроотрицательностями, сравнимыми по величине, обычно существуют за счёт совместного использования электронов, что приводит к снижению общей энергии по сравнению с ионными или элементарными альтернативами.
Такие системы называются ковалентными (co — вместе, valent — внешние электроны). Между полностью ионизированными и ковалентными связями находятся сильно поляризованные связи; например, связь O-H в молекуле воды является поляризованной.
Это автоперевод с указанием источника документа. На момент перевода - нет источников с таким текстом, согласно проверке текст.ру
Если считаете, что материал нарушает именно ваши авторские права пишите - coffeynyigor@gmail.com
Авторские права 2015 Максвелл Колонна-Дэшвуд и Кристофер Х. Хендон. Все права защищены. Ни одна часть данного произведения, охраняемого авторским правом, не может быть воспроизведена или использована в любой форме и любыми способами — графическими, электронными или механическими (включая копирование, сканирование, запись, перезапись, фотографирование) — без разрешения обоих авторов (М. Колонна-Дэшвуд и К. Х. Хендон). Все графические элементы и текст являются оригинальными произведениями, за исключением рисунка 2 главы 2 и стандарта качества воды Специальной Ассоциации Кофе Америки (SCAA). Первый элемент является сочетанием произведений, свободно доступных в общественном достоянии (Wikicommons V0000717) в Великобритании. Второй является собственностью SCAA и воспроизведен с их разрешения. Рисунок 2 главы 2 не охраняется авторским правом, и его можно свободно использовать, делиться, изменять, даже в коммерческих целях. Стандарт качества воды SCAA является собственностью SCAA. Мы хотели бы поблагодарить Лесли Колонна-Дэшвуд, Бена Пресланда, Лука, А. Уолша, К. Тобиаса Батлера, К. Дерека Моллоя, А. Томаса Мюррея и представителей индустрии специализированного кофе за их постоянную поддержку и интерес к нашей работе.
Если считаете, что материал нарушает именно ваши авторские права пишите - coffeynyigor@gmail.com
Авторские права 2015 Максвелл Колонна-Дэшвуд и Кристофер Х. Хендон. Все права защищены. Ни одна часть данного произведения, охраняемого авторским правом, не может быть воспроизведена или использована в любой форме и любыми способами — графическими, электронными или механическими (включая копирование, сканирование, запись, перезапись, фотографирование) — без разрешения обоих авторов (М. Колонна-Дэшвуд и К. Х. Хендон). Все графические элементы и текст являются оригинальными произведениями, за исключением рисунка 2 главы 2 и стандарта качества воды Специальной Ассоциации Кофе Америки (SCAA). Первый элемент является сочетанием произведений, свободно доступных в общественном достоянии (Wikicommons V0000717) в Великобритании. Второй является собственностью SCAA и воспроизведен с их разрешения. Рисунок 2 главы 2 не охраняется авторским правом, и его можно свободно использовать, делиться, изменять, даже в коммерческих целях. Стандарт качества воды SCAA является собственностью SCAA. Мы хотели бы поблагодарить Лесли Колонна-Дэшвуд, Бена Пресланда, Лука, А. Уолша, К. Тобиаса Батлера, К. Дерека Моллоя, А. Томаса Мюррея и представителей индустрии специализированного кофе за их постоянную поддержку и интерес к нашей работе.
Обновления в блоге
© 2024 Catus Roasters
