У всіх описаних процесах атоми та іони не міняли своїх партнерів. Але, звісно, можливі обставини, за яких поєднання атомів змінюються, утворюючи нові молекули. Це показано на малюнку. Процес, у якому атомні партнери міняються місцями, називається хімічною реакцією. Описані нами раніше процеси називаються фізичними, але важко провести різку межу між тими й іншими. (Природі байдуже, як ми це назвемо, вона просто робить свою справу.) На картинці ми хотіли показати, як вугілля горить у кисні. Молекула кисню складається з двох атомів, зчеплених дуже міцно. (А чому не з трьох чи навіть не з чотирьох? Це одна з характерних рис атомних процесів: атоми дуже перебірливі, їм подобаються певні партнери, певні напрямки і т. д. Один з обов'язків фізики — розібратися, чому вони хочуть саме того, чого хочуть. У всякому разі два атоми кисню, задоволені й насичені, утворюють молекулу.)
Припустімо, що атоми вуглецю утворюють твердий кристал (графіт або алмаз). Одна з молекул кисню може пробратися до вуглецю, кожен її атом підхопить по атому вуглецю й полетить у новому поєднанні вуглець — кисень. Такі молекули утворюють газ, званий чадним. Його хімічна назва СО. Що це означає? Букви СО — це фактично картинка такої молекули: С — вуглець, О — кисень. Але вуглець притягує до себе кисень набагато сильніше, ніж кисень притягує кисень або вуглець — вуглець. Тому кисень для цього процесу може надходити з малою енергією, але, зчіплюючись з неймовірною жадібністю і пристрастю з вуглецем, вивільняє енергію, яку поглинають усі сусідні атоми. Утворюється велика кількість енергії руху (кінетичної енергії). Це, звісно, і є горіння; ми отримуємо тепло від поєднання кисню й вуглецю. Теплота за звичайних умов проявляється у вигляді руху молекул нагрітого газу, але іноді її може бути так багато, що вона викликає і світло. Так виникає полум'я.
Крім того, молекули СО можуть не задовольнитися досягнутим. У них є можливість приєднати ще один атом кисню; виникає складніша реакція: кисень у парі з вуглецем зіткнеться з іншою молекулою СО. Атом кисню приєднається до СО, і врешті-решт утвориться молекула з одного вуглецю і двох кисневих атомів. Її позначають СОг і називають вуглекислим газом. Коли вуглець спалюють дуже швидко (скажімо, у моторі автомобіля, де вибухи настільки часті, що вуглекислота не встигає утворитися), то виникає багато чадного газу. У багатьох таких перестановках атомів вивільняється величезна кількість енергії, спостерігаються вибухи, спалахує полум'я і т. д.; усе залежить від реакції.
Хіміки вивчили ці розташування атомів і встановили, що будь-яка речовина — це свій тип розташування атомів.
Щоб пояснити цю думку, розглянемо новий приклад. Біля клумби фіалок ви одразу відчуваєте їхній «запах». Це означає, що у ваш ніс потрапили молекули, або розташування атомів особливого роду. Як вони туди потрапили? Ну, це просто. Якщо запах — це молекули особливого роду, то, рухаючись і стикаючись повсюди, вони випадково могли потрапити і в ніс. Звісно, вони не прагнули потрапити туди. Це просто безпорадні юрби молекул, і у своїх безцільних блуканнях ці уламки речовини, буває, опиняються й у носі.
І ось хіміки можуть узяти навіть такі незвичайні молекули, як молекули запаху фіалок, проаналізувати їхню будову й описати нам точне розташування їхніх атомів у просторі. Ми, наприклад, знаємо, що молекула вуглекислого газу пряма і симетрична: О—С—О (це легко виявити й фізичними методами). Але й для незмірно складніших, ніж ті, з якими має справу хімія, розташувань атомів можна після довгих захопливих пошуків зрозуміти, як виглядає це розташування. На малюнку зображено повітря над фіалками. Знову ми знаходимо тут азот, кисень, водяну пару... (А вона тут звідки? Від вологих фіалок. Усі рослини випаровують воду.) Серед них, однак, витає «чудовисько», складене з атомів вуглецю, водню й кисню, що облюбували для себе розташування особливого виду. Це розташування набагато складніше, ніж у вуглекислоти. На жаль, ми не можемо його намалювати: хоча воно відоме хімікам дуже точно, воно ж бо тривимірне, а як його зобразиш у двох вимірах?! Як намалювати шість вуглеців, що утворюють кільце, але не пласке, а «гармошкою»? Усі кути, усі відстані в ній відомі. Так от, хімічна формула — це просто картина такої молекули. Коли хімік пише формулу на дошці, він, грубо кажучи, намагається намалювати молекулу в двох вимірах. Наприклад, ми бачимо кільце з шести вуглеців; вуглецевий ланцюжок, що звисає з одного кінця; кисень, що стирчить на кінці ланцюжка; три водні, прив'язані он до того вуглецю; два вуглеці й три водні, приліплені ось тут, і т. д.
Як же хімік дізнається, яке це розташування? Візьме він дві пробірки з речовиною, зіллє їхній вміст і дивиться: якщо суміш почервоніла, значить, до такого-то місця молекули прикріплено один водень і два вуглеці; якщо посиніла, то... то це нічого не означає. Органічна хімія може посперечатися з найфантастичнішими сторінками детективних романів. Щоб дізнатися, як розташовані атоми в якійсь неймовірно складній молекулі, хімік дивиться, що буде, якщо змішати дві різні речовини! Та фізик нізащо не повірить, що хімік, описуючи розташування атомів, розуміє, про що говорить. Але ось уже понад 20 лег, як з'явився фізичний метод, який дозволяє розглядати молекули (не такі складні, але принаймні споріднені) і описувати розташування атомів не за кольором розчину, а за виміром відстаней між атомами. І що ж? Виявилося, що хіміки майже ніколи не помиляються!
Виявляється, що справді в запаху фіалок присутні три трохи різні молекули, вони відрізняються тільки розстановкою атомів водню.
Одна з проблем у хімії — це вигадати таку назву для речовини, щоб по ній можна було б дізнатися, яка вона. Знайти ім'я для її форми! Але воно повинно описувати не тільки форму, а вказувати ще, що тут стоїть кисень, а он там — водень, щоб було точно відзначено, де що стоїть. Тепер ви розумієте, чому хімічні назви такі складні. Це не складність, а повнота. Назва молекули запаху фіалок тому така: 4-(2,2,3,6-тетраметил-5-циклогексан)-3-бутен-2-он. Вона повністю описує будову молекули (зображеної на малюнку), а її довжина пояснюється складністю молекули. Річ, значить, зовсім не в тому, що хіміки хочуть затуманити мізки, просто їм доводиться розв'язувати найскладніше завдання опису молекули словами!
Але звідки ми все-таки знаємо, що атоми існують? А тут іде в хід уже описаний прийом: ми припускаємо їхнє існування, і всі результати один за одним виявляються такими, як ми передбачимо,— якими вони повинні бути, якщо все складається з атомів. Існують і більш прямі докази. Ось один із них. Атоми такі малі, що ні в який мікроскоп їх не побачиш (навіть в електронний, а вже у світловий і поготів). Але атоми весь час рухаються, і якщо кинути у воду велику кульку (велику порівняно з атомами), то й вона почне подригувати. Так само як у грі в пушбол, де величезний м'яч штовхають з різних боків дві команди. Штовхають у різних напрямках, і куди м'яч покотиться, не вгадаєш. Точнісінько так само рухатиметься і «великий м'яч» у воді: у різні моменти часу з різних боків на нього сипатимуться неоднакові удари. Тому коли ми дивимося в хороший мікроскоп на найдрібніші частинки у воді, то бачимо їхнє безперервне метання — підсумок бомбардування їх атомами. Називається це броунівським рухом.
Інші докази існування атомів можна здобути з будови кристалів. У багатьох випадках їхня будова, визначена з дослідів проходження рентгенівських променів крізь кристали, узгоджується за своїм просторовим розташуванням з формою самого природного кристала. Кути між різними гранями кристала узгоджуються з точністю не до градусів, а до секунд дуги з кутами, обчисленими за припущення, що кристал складений з безлічі «шарів» атомів.
Усе складається з атомів. Це найголовніше твердження. У біології, наприклад, найважливіше припущення полягає в тому, що все, що робить тварина, здійснюють атоми. Іншими словами, у живих істотах немає нічого, що не могло б бути зрозумілим з того погляду, що вони складаються з атомів, які діють за законами фізики. Колись це ще не було зрозуміло. Знадобилося чимало дослідів і роздумів, перш ніж висловити це припущення, але тепер воно повсюдно прийняте й приносить величезну користь, породжуючи нові ідеї в галузі біології.
Та посудіть самі! Якщо вже сталевий кубик або кристалик солі, складений з однакових рядів однакових атомів, може виявляти такі цікаві властивості; якщо вода — прості краплинки, невідмінні одна від одної й покриваючі милю за милею поверхню Землі,— здатна породжувати хвилі й піну, грім прибою і дивні візерунки на граніті набережної; якщо все це, все багатство життя вод — лише властивості згустків атомів, то скільки ж іще в них приховано можливостей! Якщо замість того, щоб вибудовувати атоми за ранжиром, стрій за строєм, колону за колоною, навіть замість того, щоб споруджувати з них хитромудрі молекули запаху фіалок, якщо замість цього розташовувати їх щоразу по-новому, урізноманітнюючи їхню мозаїку, не повторюючи того, що вже було,— уявляєте, скільки незвичайного, несподіваного може виникнути в їхній поведінці. Хіба не може бути, що ті «тіла», які походжають вулицею й розмовляють з вами, теж не що інше, як згустки атомів, але такі складні, що вже не вистачає фантазії передбачати за їхнім виглядом їхню поведінку. Коли ми називаємо себе згустками атомів, це не означає, що ми — лише зібрання атомів, бо такий згусток, який ніколи не повторюється, чудово може виявитися здатним і на те, щоб сидіти за столом і читати ці рядки.