Чудесная молекула

DjVu

      Полный текст книги

      ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
      Простота, остроумие и лаконичность книги Лионеля Салема делают ненужными долгие объяснения в виде предисловия к этой талантливой книжке. Переверните страницу-и книга начнет говорить сама за себя. Может быть, вы, уважаемый читатель, стоите сейчас у книжного прилавка и, читая предисловие, раздумываете, покупать ли эту книгу? Не раздумывайте, покупайте!
      Лионель Салем-ученый с мировым именем, один из виднейших специалистов в области теоретической органической химии. Вместе с тем он талантливый педагог и увлеченный пропагандист химической науки. Во Франции книга Салема получила почетный приз как образец научно-популярной литературы. Автор адресовал ее в равной мере и химикам, и нехимикам. И действительно, знакомство с этой книжкой приятно и полезно читателям любого возраста и самого разного уровня научной подготовки. Единственное требование к читателю — чтобы у него было желание получше уяснить себе химические основы окружающего нас материального мира.
      Если вы, уважаемый читатель, учитесь где-то в седьмом-девятом классе, эта книжка в живой и наглядной форме дополнит многие важные разделы школьного учебника химии. Если преподаете химию в школе или в институте, книга Салема, безусловно, поможет вам в работе. Даже если вы имеете честь быть академиком, внесшим огромный вклад в развитие химической науки, не пренебрегайте этой книжкой, ибо с ростом наших знаний и опыта растет и тяга к синтезу понятий и обретению ясности и простоты в сложной картине мира. Наконец, если вы не имеете и не собираетесь иметь никаких серьезных взаимоотношений с миром химии, а просто любознательны, эта книжка все равно будет вам полезна, как интересный рассказ об основных закономерностях, составляющих суть многих важных процессов в технике, биологии и медицине.
      Нужно, однако, предупредить, что «Чудесная молекула» — это не учебное пособие и не краткая химическая энциклопедия. Автор ставил перед собой другую задачу: доказать, что о сложнейших понятиях физики, химии и молекулярной биологии можно ясно и кратко рассказать языком повседневной жизни, рассказать образно, с юмором и одновременно с уважением к читателю, т. е. не пере-
      ступая грани, отделяющей простоту от упрощенчества. При таком подходе «спортивный интерес» заставлял Салема обсуждать именно те аспекты современной химии, где, казалось бы, невозможно обойтись без научной абстракции: волновые свойства электрона, принцип Паули, значение граничных орбиталей, ароматичность, сохранение орбитальной симметрии, реакции электронно-возбужденных состояний и т. п. Руководствуясь принципом «от простого к сложному», он с этими трудностями блестяще справился, и успех его предприятия должен стимулировать качественный рост научно-популярной литературы по химии.
      В книге нет отдельных глав, посвященных таким фундаментальным проблемам, как валентность, периодический закон, электролитическая диссоциация, теория лигандов, кислотно-основные и окислительно-восстановительные равновесия, двойственная реакционная способность, но эти вопросы в той или иной мере затронуты Салемом при обсуждении других вдохновлявших его проблем, и для грамотного химика не составит труда, идя по намеченному автором следу, развить его мысль и дать образное объяснение названным феноменам. Зато как легко преподнесен «дополнительный материал» (внимание, учащиеся и преподаватели!) о макроциклических ионофорах, о хеморецепции и фармакологии, о жидких кристаллах и поверхностно-активных веществах. Если вы любите химию или хотя бы относитесь к ней с некоторым интересом, книга Салема вас не разочарует.
      Ее стоит читать. И даже перечитывать.
      Э. Серебряков
     
      Нехимикам, а также химикам
     
      ПРЕДИСЛОВИЕ
     
      «Ах! Наука идет недостаточно быстро для нас!»
      А. Рембо. Лето в аду
     
      Все, кто интересуется окружающим нас миром, хотели бы знать, как устроена материя. Но желающие проникнуть в тайны науки зачастую робеют перед трудным для понимания специальным научным языком, которым ученые норой прикрывают свое безразличие к популяризации добытых ими знаний. А ведь логика ученых так же проста, как и логика детей.
      Эта книга-попытка снять с науки ореол таинственности. Я хочу в ней показать, что о современной науке можно говорить обычным языком. Во всех случаях, кроме области элементарных частиц, я намеренно отказался от любых научных терминов и использовал подходящие понятия разговорного языка.
      В качестве объекта для такой попытки я выбрал молекулу. Составленные из атомов, как слова из букв алфавита, молекулы чрезвычайно разнообразны. В мире существует по крайней мере столько же разных молекул, сколько разных слов в словаре. Все, что нас окружает: живые существа, дома, мебель, пища, одежда,-построено из молекул.
      Как и окружающие нас предметы, молекулы имеют вполне определенную форму. Обычно при описании формы молекулы используют повседневные слова: эта молекула похожа на кресло, тана куб, та-на кольцо. Читатель этой книги тоже должен постараться думать о молекулах как о маленьких предметах, которые можно потрогать, пощупать, положить перед собой на стол, чтобы полюбоваться их формой со всех сторон. Впрочем, и химики, желая проверить свои соображения, строят модели молекул из дерева или металла.
      К тому же молекулы ведут себя, как одушевленные предметы. Конечно, они не являются живыми в том смысле, как мы понимаем жизнь. Но, наделенные энергией благодаря теплу окружающей среды, они движутся, колеблются и, самое главное, обладают удивительной способностью к превращениям. Эта способность проявляется в том, что называется реакцией: две молекулы встречаются и превращаются в две совершенно другие! Но и тут читатель, восхищаясь происходящим, может не искать ничего сверхъестественного: просто встреча двух молекул позволяет некоторым атомам менять свое положение.
      Разумеется, настоящие молекулы так малы, что для образования частички материи, видимой невооруженным глазом, нужны миллиарды и миллиарды молекул. Ну и что! Пусть вас это не смущает-войдем в этот мир бесконечно малого.
      Октябрь 1978
      Л. Салем
     
      ФОРМА И ФАНТАЗИЯ (ГЕОМЕТРИЯ МОЛЕКУЛ)
     
      1.1. Молекула воды
      Возьмите каплю воды и измерьте ее. Разделите полученную величину на тысячу, потом еще на тысячу и еще на сто-и вы получите размер молекулы воды. Требуется множество миллиардов таких молекул, чтобы получилась капля воды, точно так же, как для постройки дома нужно огромное число кирпичей.
      Молекула воды похожа на персик, к которому прикреплены два абрикоса. Персик, расположенный в центре,-это атом кислорода. Два маленьких абрикоса по бокам-два атома водорода. Атом кислорода связан с каждым атомом водорода отдельной связью. Эту связь обозначают черточкой, которая соединяет центры кружков, изображающих атомы. Иногда контуры атомов опускают и рисуют такие черточки между центрами атомов, изображаемых в виде точек. (Некоторые атомы могут быть связаны друг с другом двумя или тремя связями-тогда между их центрами рисуют две или три параллельные черточки.) Такими схемами и пользуются химики.
      С давних времен природа этой связи занимает воображение ученых. Немного позже мы поговорим о ней подробнее. Эта связь так прочна, что для разрыва молекулы воды нашу каплю нужно поместить в специальную печь и нагреть выше 2000°С.
     
      1.2. Волчок и танцевальные па
      Выделим из капли воды одну молекулу-например, ту, которая вылетела в воздух. Подобно волчку, она вращается вокруг своей оси с фантастической скоростью. За одну секунду она совершает множество миллионов оборотов. У молекулы-волчка есть три способа вращения, показанные на рисунке.
      В это же время и тоже с очень большой скоростью, но все же в тысячу раз меньшей атомы молекулы воды совершают свой непрерывный танец: они немного удаляются друг от друга, приближаются, раскланиваются друг с другом и снова расходятся. При этом обе связи между атомом кислорода и атомами водорода сжимаются, потом растягиваются, как рессоры, а угол, образуемый этими связями, то увеличивается, то уменьшается. Так молекула воды непрерывно деформируется, следуя предустановленной гармонии. Все три атома действуют заодно, и их движения великолепно скоординированы.
      Атомы могут танцевать три разных танца. В первом танце обе связи одновременно растягиваются, во втором-одна связь удлиняется, а другая сокращается. Третий танец-настоящее «соло угла»: молекула раскрывается и закрывается, как веер.
      Молекула воды подобна волчку. Молекула-волчок может вращаться тремя способами.
      В молекуле воды атомы совершают три разных танца: в первом танце связи между ними согласованно растягиваются и сжимаются; во втором — одна связь сжимается, другая растягивается; третий танец-это «соло угла».
     
      1.3. Детский конструктор из атомов
      Для постройки молекул больше всего пригоден атом углерода. Ведь он может соединяться четырьмя различными связями с четырьмя другими aтомами, причем каждая связь очень прочна. Благодаря этому в природе возможно создание молекул в пространстве по образцу детского конструктора. Из атомов углерода составлены каркасы («скелеты») всех молекул органического мира: и молекул тела человека, и молекул растений, и молекул нефти.
      В семье органических молекул самая простая молекула состоит из одного атома углерода, связанного с четырьмя атомами водорода. Это молекула метана, которая имеет форму правильного тетраэдра и похожа на пакет молока. Углеродные скелеты могут принимать и другие формы: одни растянуты в виде цепей, другие складываются более компактно-в призмы или кубы.
      Атом бора способен окружать себя еще большим числом соседей, поэтому формы его соединений еще более разнообразны, чем у углерода. Он образует великолепные пространственные фигуры. Например, молекула паракарборана с десятью атомами бора и двумя атомами углерода представляет собой икосаэдр с двенадцатью вершинами.
      Молекула метана. В вершинах тетраэдра расположены четыре атома водорода, а его центр занимает атом углерода.
      Молекула паракарборана образует икосаэдр.
     
      1.4. Молекулы-сэндвичи
      Совершенно иные геометрические фигуры образуются вокруг атомов металлов: хрома, железа, никеля. Они стремятся окружить себя достаточно большим числом атомов-соседей: иногда четырьмя, расположенными в одной плоскости, а чаще шестью, для того чтобы получился октаэдр, как, например, в молекуле гексакарбонила хрома. Число соседей и направление связей зависят главным образом от природы центрального атома.
      В некоторых случаях даже небольшие молекулы, не устойчивые сами по себе, прикрепляясь к атому металла, дают устойчивое сооружение. Например, два остатка органической молекулы циклопентадиена (они содержат на один атом водорода меньше и называются циклопентадиенилами) с пятиугольными скелетами из атомов углерода могут прикрепиться с двух сторон к атому железа. Образовавшаяся при этом супермолекула, которую называют ферроцен, похожа на сэндвич. Этот бесконечно малый мир вообще похож на мир, созданный руками человека, и даже превосходит его по фантазии.
      Существуют даже многослойные сэндвичи, такие, как молекула Аидыс-циклопентадиенилдиникеля, в которой три углеродных пятиугольника чередуются с двумя атомами металла.
      Супермолекула ферроцена имеет форму сэндвича.
      Скелет молекулы трис-цикло-пентадиенилдиникеля по форме представляет собой двойной сэндвич (в этой молекуле не хватает отрицательно заряженной частицы, следовательно, она несет положительный заряд).
     
      1.5. Правые и левые молекулы
      Перед вами две настольные лампы. Они совершенно одинаковы на вид: у каждой три ножки, покрашенные в три одинаковых цвета. Попробуйте, однако, совместить их друг с другом-вам это не удастся. Если вы совместите черные ножки, то белая ляжет на синюю, а синяя на белую. Все дело в том, что эти лампы, как наши левая и правая руки, при всей их схожести различны. Вы могли бы сказать про одну «моя правая лампа», а про другую-«моя левая лампа».
      Существует большое число пар левых и правых молекул, которые, как и эти лампы, невозможно совместить в пространстве. Так, молекулы аминокислот, необходимые для построения молекул белка, существуют в левой и правой формах. Для примера посмотрите на молекулы аланина. Но самое удивительное, что в организме человека и животных присутствуют только левые формы всех этих молекул! Причина такого выбора остается загадкой, так как очень мало явлений природы имеют определенное направление. Среди них, например, вращение Земли вокруг своей оси или направление некоторых ветров. И все же трудно себе представить, каким образом эта особенность могла при зарождении жизни повлиять на образование молекул аминокислот.
      Как же в смеси молекул отличить левую молекулу от правой? Это не менее трудно, чем в темноте отыскать в ящике правую перчатку. В этом случае лучше всего примерять каждую перчатку на правую руку. Точно так же молекула с левым или правым характером может различить и разделить находящиеся в смеси молекулы, только вступив с ними в реакцию.
      Две настольные лампы, несмотря на сходство, не одинаковы.
      Для обеих молекул группы атомов, связанные с центральным атомом углерода, представлены схематично (метильная группа состоит из углерода и трех атомов водорода, в аминогруппе один атом азота связан с двумя атомами водорода, а в карбоксильной группе атом углерода связан с двумя атомами кислорода, один из которых, кроме того, связан с атомом водорода).
     
      1.6. Молекулы-ловушки
      Человек создает многие новые молекулы, заставляя реагировать между собой те, которые уже существуют в природе. Создание новых молекул требует инженерного таланта и сноровки, поскольку нужно проявить истинное химическое дарование, чтобы расположить атомы в молекуле по заранее обдуманной схеме и тем самым получить новые свойства.
      Некоторые из получаемых при этом молекул имеют необыкновенные свойства. Например, молекулы криптатов были созданы для захвата атомов или маленьких молекул. Они состоят из трех скрепленных вместе полукружий, каждое из которых увенчано двумя атомами кислорода. Эти атомы кислорода имеют особое сродство к обедненным* атомам натрия. И когда такой атом натрия захватывается «челюстями» криптата, он уже не может вырваться.
      Атомы на краях молекул криптатов сходны с атомами, из которых построены молекулы клеточных мембран, поэтому криптаты легко проникают через стенки клеток организма человека. Значит, молекулу криптата можно использовать для введения в клетку какого-нибудь атома или небольшой молекулы. Это дает в руки медицины мощный инструмент, с помощью которого можно будет вводить в кровь и ткани молекулы лекарств.
      * Обедненный или обогащенный атом во всех отношениях похож на обычный атом с одной только разницей: он несет электрический заряд, тогда как обычный атом его не имеет. Так же как на клеммах аккумулятора, этот заряд может быть положительным (это «обедненный» атом, у него отсутствует электрон-отрицательно заряженная частица) или отрицательным (наличие дополнительного электрона делает атом «обогащенным»). Противоположные по знаку заряды притягиваются друг к другу; именно это и происходит с атомами кислорода, несущими отрицательный заряд, и обедненными атомами натрия, которые несут положительный заряд.
      «Обедненный» атом натрия захвачен молекулой криптата. Здесь обозначен лишь скелет молекулы криптата, состоящий в основном из атомов углерода и содержащий также шесть атомов кислорода поблизости от захваченного атома.
     
      1.7. Запах молекул
      Молекула бензола представляет собой правильный шестиугольник из атомов углерода, каждый из которых связан с двумя другими атомами углерода и с одним атомом водорода. Целое семейство молекул имеет в основе своей один или несколько таких шестиугольников: они носят название ароматических молекул. И действительно, кроме многих других интересных свойств, например большой устойчивости, эти вещества обладают сильным и очень разнообразным запахом-от запаха аниса до запаха нафталина или гудрона.
      Многие молекулы имеют специфический запах. Но иногда бывает достаточно заменить один-единственный атом в молекуле, чтобы совершенно изменился ее запах. Молекула сероводорода, которая, как родная сестра, похожа на молекулу воды, испускает тем не менее отвратительный запах тухлых яиц!
      К счастью, нет недостатка и в хороших запахах. Молекула амилацетата пахнет вкусной грушевой эссенцией-так пахнет лак для ногтей.
      Специфический характер запаха определяется тем, каким способом каждая молекула располагается на клетках внутри нашего носа. Но в этой тайне еще очень многое остается нераскрытым.
      Молекула сероводорода имеет запах тухлых яиц.
      Скелет молекулы амилацетата (имеет запах грушевой эссенции). Главная цепь образована в основном атомами углерода, связанными с атомами водорода.
     
      1.8. Вредные и полезные молекулы
      Некоторые молекулы, даже самые маленькие, таят в себе смертельную опасность. Когда они попадают в организм человека, наши органы ошибочно принимают их за другие. Так, при вдыхании молекул окиси углерода легкие принимают их за молекулы кислорода, поскольку и те и другие одинаковы по размеру и даже совпадают по форме. Молекулы окиси углерода уже за несколько секунд завершают свою губительную работу: они накрепко соединяются с кровью, занимая места, предназначенные для кислорода.
      Некоторые полезные молекулы изменили наш образ жизни, например молекулы смол и пластмасс. Другие способствовали прогрессу в медицине. Кому не приходилось глотать молекулы аспирина? Кому не делали обезболивания при помощи эфира или новокаина! Молекулы эфира могут моментально проникать в нервные клетки и нарушать их работу. При вдыхании этих молекул мы теряем сознание. А молекулы новокаина, попадая в наш организм, вмешиваются в движение электрически заряженных частиц и мешают нервным клеткам проводить электрический сигнал, который нужен для нервного импульса. Сигнал о боли больше не достигает мозга. Таким способом молекулы новокаина и многих подобных ему веществ оказывают восстановительное и успокаивающее действие.
      молекула окиси углерода (атом кислорода связан с атомом углерода)
      молекула кислорода ( два атома кислорода связаны между собой )
      Вредные и полезные молекулы. Окись углерода-это быстродействующий яд, потому что она связывается с кровью быстрее, чем кислород, которым мы дышим днем и ночью.
      Схематическое изображение молекул аспирина и новокаина. Молекула эфира.
     
      МОЛЕКУЛЫ И СЕМЕЙСТВА МОЛЕКУЛ: ИЗ ЧЕГО СОСТОЯТ ОКРУЖАЮЩИЕ НАС ВЕЩЕСТВА?
     
      2.1. Огромный, хорошо упакованный чемодан
      Возьмите медную проволоку, кусочек сахара. Каково взаимоотношение между этой проволокой и атомами меди, между куском сахара и молекулой сахарозы?
      Те, кому приходилось путешествовать, хорошо знают, что в тщательно упакованном чемодане умещается гораздо больше вещей, чем в чемодане, где вещи набросаны в беспорядке. И будь то круглые мячи, подобно атомам меди, или овальные мячи, как довольно плоские молекулы сахарозы, их нужно очень тщательно укладывать, чтобы плотнее заполнить чемодан. Похоже, что природа сама знает этот закон: так она складывает миллионы миллиардов атомов меди один за другим. Этот великолепный чемодан атомов меди мы и наблюдаем в виде маленькой медной проволоки. Значит, проволока-это скопление огромного числа атомов. И кусок сахара-тоже скопление великого множества молекул сахарозы, похожих, как сестры-близнецы.
      Таким образом, медную проволоку или кусок сахара мы можем видеть невооруженным глазом именно благодаря тому, что они состоят из огромного числа атомов и молекул. То же самое можно сказать про все вещества, которые нас окружают: дерево, бумагу, ткань, металл. Когда вы от куска сахара отщепляете маленькую крупицу, знайте, что вы отщепляете такое огромное число молекул, для которого в нашем языке нет соответствующего слова!
      Упаковка атомов меди в медной проволоке (фрагмент): 8 атомов меди образуют куб, в центре граней которого расположены еще 6 атомов меди и т. д. до бесконечности.
     
      2.2. Алмаз и... стекло
      Наверное, вам случалось любоваться алмазом в перстне. В чем секрет исключительной твердости этого камня? Он заключается в том, что при упаковке между атомами возникает очень много связей. Если атомы углерода уложены так, что каждый из них окружен четырьмя другими (при этом, как в случае молекулы метана, образуется тетраэдр), то все атомы оказываются связанными между собой. Построенное таким способом твердое вещество и есть не что иное, как наш великолепный камень. Любое испытание на твердость алмазу нипочем. И когда вы берете в руки алмаз, знайте, что берете одну гигантскую молекулу. Попробуйте его поскрести: вы не сможете отделить ни единого атома!
      Свойства твердого тела, получаемого при упаковке атомов, определяются главным образом природой атомов и числом образуемых связей. Например, заменим атом углерода в скелете алмаза на атом кремния и окружим его четырьмя атомами кислорода. Каждый атом кислорода может образовать связь всего лишь с двумя атомами кремния, поэтому сооружение получается более гибкое и менее компактное. Тут можно найти цепи разных размеров из сцепленных атомов кремния и кислорода. В таком кремний-кисло-родном чемодане, упакованном быстро и без особой тщательности, порядка значительно меньше, чем в алмазе. А невооруженным глазом мы видим... стекло! Если же такой чемодан собирать очень медленно и тщательно, мы получим... кварц.
      Основной фрагмент структуры алмаза. Каждый атом углерода связан с четырьмя другими, находящимися в вершинах тетраэдра.
      Основной фрагмент структуры стекла. Каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра. Но каждый атом кислорода при этом связан лишь с двумя атомами кремния.
     
      2.3. Водородные мостики и весна
      Если в качестве главного атома вместо углерода или кремния взять атом кислорода, то чемодан упаковать еще труднее, так как атом кислорода образует всего две связи вместо четырех. И все же, соединяя молекулы воды, природа являет нам еще одно чудо строительства, окружая каждую молекулу четырьмя соседними. Это чудо обязано своим существованием особому свойству атомов водорода, уже связанных с кислородом: каждый такой атом водорода может приблизиться к атому кислорода другой молекулы и образовать с ним связь. Эта связь, хотя и совсем слабая, создает, однако, очень полезный мостик между двумя атомами кислорода и дает возможность каждой молекуле воды связаться с четырьмя другими.
      В кубике льда содержится множество молекул воды, соединенных этими водородными мостиками. Конечно, прочность такой постройки невелика: на этот раз содержимое чемодана весьма хрупко. Достаточно совсем небольшого нагревания, чтобы водородные мостики начали рваться. Некоторые молекулы воды начинают свободно двигаться. А на глаз мы наблюдаем... таяние льда. Совсем незначительное событие в мире молекул — разрыв нескольких водородных мостиков — оборачивается существенным событием нашей жизни: весенним таянием снегов и льдов!
      Лед. Каждая молекула воды окружена четырьмя другими благодаря водородным мостикам.
      Схема (фрагмент) молекул воды, соединенных водородными мостиками (пунктир) в структуре льда.
     
      2.4. Вечная суета в мире жидких тел
      В отличие от молекул воды в молекулах спирта имеется только один атом водорода, непосредственно связанный с атомом кислорода. Поэтому молекулы спирта могут образовывать водородные мостики только с двумя соседними молекулами. Еще хуже обстоит дело с молекулами эфира, у которых на центральном атоме кислорода нет атомов водорода, а значит, и нет возможности построить мостик. Когда число водородных мостиков мало, расположение молекул становится весьма беспорядочным. Молекулы-сестры без конца движутся, меняются местами, суетятся: все вместе они составляют жидкость. Спирт и эфир остаются жидкими и тогда, когда вода уже замерзает.
      Силы, связывающие молекулы эфира между собой, очень слабы. Существует лишь притяжение между разноименно заряженными частями молекул. Поэтому молекулы эфира склонны вылетать из жидкости: эфир легко испаряется. И только очень сильно охладив молекулы, можно отнять у них столько энергии, что они перестанут двигаться. Тогда даже спирт и эфир могут стать твердыми.
      Молекула метилового спирта; расположение молекул метилового спирта в жидком состоянии (пунктиром изображены водородные мостики).
      Молекула эфира; расположение молекул эфира в жидком состоянии (это расположение беспрерывно меняется). Водородных мостиков уже нет.
     
      2.5. Молекулы, помогающие узнавать время
      Некоторые жидкости, хотя и не упорядочены так строго, как твердые тела, все же не так беспорядочны, как те жидкости, о которых мы только что говорили. За эту двойственность их называют «жидкими кристаллами». Такой жидкий кристалл образуется, например, из молекул ТЧ-лара-метоксибензилиден-иара-бутилани-лина, или МББА, расположенных параллельно друг другу, словно косяк отдыхающих угрей.
      Но речь идет о совершенно особом косяке рыб. Поместим жидкий кристалл в сильное электрическое поле: сразу же молекулы-угри приходят в движение и образуют круговые вихри. И если в нормальном состоянии жидкий кристалл прозрачен, как вода или спирт, то в вихревом состоянии он мутнеет и сильно рассеивает свет, как воронка ила в воде или облако пыли в солнечном луче.
      Этим свойством молекулы МББА можно воспользоваться для индикации цифр в микрокалькуляторах или электронных часах. Весь циферблат часов заполнен жидким кристаллом. В определенных местах расположены прозрачные электроды в форме цифр 1, 2, 3,.... На эти электроды от часового механизма поочередно подается сигнал, электрическое поле которого действует на молекулы. На участке возбужденного электрода происходит помутнение, и на циферблате появляется цифра. А недавно нашли способ так «закручивать» косяк этих «электрических угрей», что он становится видимым при освещении.
      Молекула МББА. Скелет молекулы состоит в основном из атомов углерода, к которым снаружи присоединены атомы водорода.
      Молекулы МББА в жидком кристалле напоминают косяк угрей. Такой кристалл прозрачен.
      Те же молекулы в сильном электрическом поле образуют вихри, среда становится непрозрачной.
      Вот так на циферблате появляется цифра 5.
     
      2.6. Молекулы чистоты
      Намылим руки. Чем объяснить легкость, с которой мыло удаляет грязь? Ответ нам может дать молекула стеариновой кислоты. Каждая молекула представляет собой длинную цепь атомов углерода и водорода и «головку» с двумя атомами кислорода. Если несколько таких молекул находится в присутствии большого числа молекул воды (когда мы опускаем мыло в воду), молекулы кислоты группируются и образуют маленькие шарики, в которых они располагаются головками наружу. Головки окружены довольно беспорядочно движущимися молекулами воды.
      Когда появляются посторонние молекулы, например молекулы частиц грязи на руках, они захватываются шариками молекул стеариновой кислоты. В самом деле, если посторонняя молекула органическая, ее углеродный остов находит уютное местечко среди углеродных цепей молекул мыла. Так частицы грязи растворяются мылом.
      Молекула стеариновой кислоты. Ее «позвоночник» образован только атомами углерода, которые связаны с внешней стороны с атомами водорода. Головка этой молекулы состоит из двух атомов кислорода и атома водорода. В мыле этот атом водорода замещен, например, атомом натрия.
      Мыло. Здесь мы видим длинные молекулы стеариновой кислоты с головками, направленными наружу, и молекулы воды в виде галочек. Шарики мыла без труда «растворяют» посторонние молекулы.
     
      2.7. Каучук, найлон и дерево
      Молекулы полимеров еще более длинные, чем молекулы МББА или стеариновой кислоты. В них атомы и связи выстраиваются в ряд и образуют столь длинные цепи, что их иногда можно видеть и невооруженным глазом. Например, в молекуле полиизопрена один и тот же фрагмент повторяется тысячи раз. Еще большее впечатление производит соединение такой цепи с ее молекулами-сестрами: ансамбль всех этих цепей полиизопрена образует... натуральный каучук.
      Молекулы полиизопрена любят беспорядок. В каучуке каждая молекула свернута в несколько раз, как шерсть в клубке. Но не пытайтесь исправить этот беспорядок! Если вы потянете за молекулу, как за нитку, она волей-неволей распрямится, но, как только вы ее отпустите — тут же снова свернется. Этим объясняются замечательные свойства каучука, который не ломается и вследствие своей эластичности самопроизвольно принимает первоначальную форму.
      Человек сумел создать много разных молекул полимеров, ранее не существовавших в природе. Сцепляясь между собой, эти молекулы образуют материалы, которые сопровождают нас в повседневной жизни. Всем хорошо знаком, например, найлон — скопление молекул найлона.
      Вернемся, однако, к природе и рассмотрим в микроскоп тонкий срез кусочка дерева. Мы увидим клетки, внутри которых находятся разнообразные полимерные молекулы. В частности, там находятся цепеобразные молекулы целлюлозы, звенья которых состоят из шести углеродных атомов, замкнутых на атом кислорода; между собой эти звенья соединяются тоже при помощи атомов кислорода. Вот они, стало быть, невидимые элементы древесины, и вот в чем красота древнего комода, перенесенная силой нашего воображения на уровень ее мельчайших составных частей!
      Углеродный скелет молекулы полиизопрена (этот фрагмент повторяется бесконечное число раз).
      Молекула полиизопрена, свернутая в клубок.
      Скелет молекулы найлона состоит в основном из атомов углерода; кроме того, там имеются атомы азота и кислорода.
      Скелет молекулы целлюлозы состоит из атомов углерода и кислорода.
     
      2.8. Воздух, которым мы дышим
      Как правило, наиболее простыми молекулами являются те, между которыми существуют самые слабые связи, т. е. никаких химических связей, никаких водородных мостиков и даже никакого притяжения между электрическими зарядами противоположного знака, которые могли бы нести две молекулы. Такие молекулы-среди них молекула азота (два атома азота, связанные тройной связью) и молекула кислорода (два атома кислорода, связанные двойной связью) — вообще нельзя упаковать. Они остаются на большом удалении друг от друга и образуют пар или газ.
      Воздух, которым дышат обитатели Земли,-это смесь, в которой на три молекулы азота приходится одна молекула кислорода. Изредка попадаются более редкие атомы, например атомы аргона. В противоположность твердым телам и жидкостям, газы и воздух в основном пусты: расстояние между двумя соседними молекулами почти в пятьдесят раз превышает размеры самих молекул. И к тому же молекулы постоянно меняют свое положение, перемещаясь с большой скоростью.
      Схематическое изображение расположения молекул в воздухе, которым мы дышим.
     
      ЗАСТЫВШИЕ ВОЛНЫ (ЭЛЕКТРОНЫ ВНУТРИ АТОМА)
     
      3.1. Застывшая волна электрона — ключ к индивидуальности атома
      Обратимся теперь к природе атома. Его можно представить себе в виде мясистого плода: если разрезать мякоть, то в центре мы увидим ядро. Хотя ядро очень мало (одна стотысячная диаметра атома), оно гораздо тяжелее, чем мякоть. И все же именно эта удивительная мякоть определяет почти все свойства атома.
      «Мякоть» состоит из электронов. В окружающем нас мире нет ничего, что мы могли бы сравнить с электроном, потому что он двулик. Иногда электрон ведет себя как маленькая частица, которая быстро движется через весь атом-плод, проходя через определенные места чаще, чем через другие. А иногда, как показал французский физик де Бройль, электрон ведет себя-и именно так мы будем его здесь представлять-как волна, но волна очень своеобразная, в некоторой степени застывшая. Возьмем веревку и будем встряхивать ее за один конец. Если в какой-то момент сделать фотографию веревки, то на ней можно будет увидеть волну, распространяющуюся в одном направлении-вдоль веревки. Волна состоит из гребня (на рисунке синий) и впадины (голубая). Морские волны образуются и распространяются по поверхности в двух горизонтальных направлениях. Амплитуда волны в данный момент-гребень, впадина или зона покоя-измеряется по вертикали. А вот «застывшая электронная волна» имеет три измерения, и ее описывают, изображая объем, в котором находится волна. Мы увидим, что эти объемы могут принимать самые разнообразные формы. А для того чтобы различать гребни и впадины, потребовалось бы четвертое измерение. Гораздо проще окрасить волну: гребень синим, а впадину — голубым.
      И еще одна особенность: в противоположность морским волнам, волна электрона никуда не бежит. Это — застывшая волна, окаменевшее колебание. Форма волны, которая является результатом тонкого равновесия естественных сил внутри атома, остается неизменной, стационарной.
      Эти застывшие электронные волны хранят ключ к индивидуальности атомов: форма волн определяет возможные связи с другими атомами, и своими гребнями и впадинами они дают как бы инструкции атомам во время реакции.
      Плоская одномерная волна (например, веревка), колебание распространяется по горизонтали. По вертикали измеряется амплитуда волны.
      Двумерная волна (морская волна), колебания распространяются в двух направлениях по горизонтали. И в этом случае амплитуда волны измеряется по вертикали.
     
      3.2. Волны в форме шара
      Самые простые волны имеют форму шара. На определенном расстоянии от центрального ядра амплитуда такой волны одинакова в любом направлении. Шарообразная волна может состоять только из гребня или из серии гребней и впадин, сменяющих друг друга по ходу образования волны от центра к периферии.
      У атома водорода один электрон, и этот единственный электрон занимает одну шарообразную волну, состоящую только из гребня. Третий электрон в атоме лития-внешний-представляет собой как бы кожуру атома-плода и тоже находится в шарообразной волне. Но у этой волны кроме гребня есть и впадина. У атома натрия внешний одиннадцатый электрон также образует волну-шар, только уже двойную, в которой гребни и впадины чередуются с зонами покоя.
      Часто атомы, у которых внешняя оболочка-кожура устроена одинаково, имеют похожие химические свойства. В особенности это касается числа связей, которые могут образовываться, и их направления. В приведенных выше примерах все три атома могут «не задумываться» о направлении сближения с другими атомами: благодаря шаровой форме их волн для них все направления хороши.
      зона покоя
      Шарообразные волны в разрезе. Эти застывшие волны различаются числом застывших гребней и впадин (Л-для единственного электрона атома водорода; 2-для третьего электрона атома лития; В — для одиннадцатого электрона атома натрия).
     
      3.3. Волны в виде восьмерок и четырехлистников
      По мере увеличения числа электронов в атоме им становится все теснее. К счастью, избежать «пробок» в движении электронов позволяют другие типы застывших волн. Первую возможность предоставляют волны в виде объемных восьмерок, составленных из двух пузырей: с одной стороны такой волны пузырь наполнен, с другой-пуст. А между ними располагается зона покоя, где как раз помещается ядро. Волна-восьмерка-ценное изобретение атомного мира-не имеет аналогий в морях нашей планеты. Электроны в атоме могут образовывать одновременно до трех восьмерок: восток — запад, север-юг, верх-низ.
      Таким образом, каждая волна-восьмерка имеет свое излюбленное направление, в котором ориентированы ее гребень и впадина. И именно в этом направлении с помощью такой волны могут образовываться связи с другими атомами. Следует отметить, что атомы углерода, азота и кислорода кроме шарообразных волн используют три волны-восьмерки.
      Еще удивительнее волна в виде цветка с четырьмя лепестками: два лепестка полные, а два других-пустые. Существуют четыре типа таких волн, которые отличаются друг от друга только своим направлением в пространстве. В этом семействе есть еще пятая волна, форма которой имеет интересную особенность: цен-
      тральная часть этой волны напоминает катушку. Четырехлепестковые волны часто встречаются в атомах таких металлов, как хром, железо, никель и другие. Их гребни, направленные в разные стороны, дают возможность этим атомам окружить себя большим числом атомов. Ведь для того чтобы образовать четыре связи в одной плоскости, достаточно всего лишь одной четырехлепестковой волны.
      Волна-восьмерка дает возможность образования связей по оси гребень-впадина. Атомы углерода, азота и кислорода используют три волны такого типа.
      Четыре типа волны-четырехлистника и волна-катушка.
     
      3.4. Электронная пара
      Атомы обладают разным числом электронов. У самого маленького атома водорода всего один электрон, а у самых больших атомов их больше ста: у атома урана, например, 92 электрона. Следовательно, существует больше ста разных типов атомов. В каждом из них имеется свое ядро, положительный заряд которого должен точно уравновесить отрицательный заряд всех электронов атома.
      Два электрона (но не больше) могут соединиться в пару, чтобы образовать и заселить общую волну. Однако вовсе не обязательно, что пару могут составить два любых, взятых наобум электрона. Каждый электрон имеет особое сокровенное свойство, нечто такое, что должно найти в партнере по паре свою противоположность. Для того чтобы изобразить электронную пару, образующую волну, рисуют две противоположно направленные стрелки. А электрон-одиночка изображается одной стрелкой.
      Таким образом, шарообразную волну атома водорода занимает электрон-одиночка, тогда как у атома гелия в очень похожем шаре умещается пара электронов. В более сложных атомах электронные пары заселяют и другие типы волн. Заполнение этих волн происходит очень методично, как в луковице, слой за слоем. В каждом слое волны одинаково доступны электронам. Внутри слоя каждая пара занимает свою собственную, волну, изображенную на рисунке клеточкой. Несформировавшиеся и не занятые электронами волны считаются пустыми. Как некая абстракция эти волны существуют и без электронов, однако пока в них нет электронов, они никакой роли не играют.
      Атомы с заполненными слоями особенно устойчивы. А два атома с одинаковым числом электронов во внешнем слое имеют очень похожие свойства. Именно это мы наблюдаем в случае атомов лития и натрия. И как раз в этом заключается смысл классификации атомов, разработанной Д. И. Менделеевым.
      Заполнение атома электронами по слоям.
     
      3.5. Встреча двух волн: удобная и неудобная волны
      Когда два атома соединяются между собой, чтобы образовать молекулу или фрагмент молекулы, их волны встречаются.
      Эта встреча двух волн, принадлежащих разным атомам, и лежит в основе всей химии. Предположим, что два гребня сближаются настолько, что перекрывают друг друга. В результате образуются две новые волны, охватывающие оба атома. При этом в первой вновь образовавшейся волне два гребня в буквальном смысле слова сливаются: новая волна образует один гребень там, где раньше было два. Новая молекулярная волна очень выгодна для электронов, это-удобная волна. В самом деле, занимающий ее электрон становится устойчивым, благодаря тому что теперь он в некотором роде принадлежит одновременно обоим атомам.
      Но горе тем электронам, которым приходится занимать вторую вновь образовавшуюся волну! В этой неудобной волне при встрече один из гребней буквально выталкивается другим во впадину. И новая молекулярная волна оказывается перерезанной зоной покоя, по разные стороны от которой находится гребень и впадина! Такое волнообразование, характеризующееся наличием зоны покоя в волне, для нас не ново: мы с ним уже встречались в некоторых шарообразных волнах и в волнах в виде восьмерки. Но здесь перегиб волны-зона покоя-находится как раз между ядрами, а именно в том месте, где должна была бы образоваться связь. Все это делает волну очень мало привлекательной для электронов, которые по мере возможности и избегают попадать в нее.
      Образование этих двух типов волн-удобной и неудобной-можно сопоставить с тем, что мы наблюдаем, бросая в озеро камни один за другим: концентрические волны вокруг точки попадания иногда увеличиваются, а иногда разрушаются.
      Встреча двух гребней приводит к образованию удобной и неудобной волн. Неудобной для связи волной является та, в которой гребень и впадина разделены зоной покоя, так как эта зона расположена между двумя атомами.
     
      3.6. Чем скрепляются межатомные связи?
      Сближение атомов, при котором происходит перекрывание их волн, оказывается особенно выгодным в том случае, когда у каждого атома есть одинокий электрон. Тогда в удобной молекулярной волне, где каждый электрон чувствует себя гораздо лучше, чем в своей атомной волне, может образоваться электронная пара. Например, в молекуле водорода соединяются в пару одиночные электроны атомов водорода. Застывшая волна этой пары растягивается от одного ядра до другого. Так образуется химическая связь между двумя атомами: электроны служат цементом, который удерживает атомы вместе.
      Мысль о том, что связь между атомами обеспечивается электронными парами, принадлежит американскому химику Джилберту Льюису. Она является фундаментальным понятием в химии.
      Однако в том случае, когда электроны попадают в неудобную волну, образование молекулы затрудняется. При сближении двух атомов гелия, каждый из которых имеет пару электронов, молекулярные волны должны быть образованы четырьмя электронами. Первая пара могла бы занять удобную волну наподобие той, что образуется в молекуле водорода. Но зато вторая пара вынуждена была бы занять неудобную волну. Эти два электрона оказались бы такими несчастными, что молекула не смогла бы выжить. Поэтому атомы гелия упорно стараются избегать друг друга.
      В молекуле водорода связь между атомами осуществляет электронная пара, занимающая удобную молекулярную волну.
      Неизбежное попадание одной из двух электронных пар в неудобную волну (наверху) препятствует образованию молекулы гелия.
     
      3.7. Волны в форме лепестков
      Итак, удобные волны, занятые электронной парой, обеспечивают устойчивость связей между атомами. Эти волны тем удобнее, чем точнее направлены друг к другу гребни обоих атомов и чем больше они перекрываются. Для того чтобы облегчить перекрывание, атом может смешать все свои волны и из этой смеси приготовить новые волны, которые будут специально направлены к соседним атомам. Волны такого типа открыты американским ученым Лайнусом Полингом.
      Так, смешав три волны-восьмерки с волной-шаром, атом углерода создает из них четыре гибридные волны-лепестка, направленные в четыре разные стороны. Против каждого гребня-лепестка имеется маленькая впадинка. Если рядом находятся четыре атома водорода со своими волнами-шарами, могут образоваться четыре удобные связывающие волны. Связь атома углерода с каждым из атомов водорода обеспечивается электронными парами, которые образуются из четырех электронов атома углерода и четырех электронов, внесенных атомами водорода. Получающаяся при этом молекула метана, как мы уже знаем, имеет форму тетраэдра. Эта способность атома углерода к образованию четырех связей, расположенных в пространстве в виде тетраэдра, была открыта сто лет назад голландским ученым Вант-Гоффом и французским химиком Ле Белем. Именно этой способностью объясняется существование левых и правых молекул; эта способность лежит в основе одного из разделов химии, называемого стереохимией.
      У некоторых атомов, например атомов азота и кислорода, в одной или нескольких волнах-лепестках уже имеется готовая электронная пара; такую пару называют «изолированной», или «свободной». Поэтому способность таких атомов образовывать связи с другими атомами (знаменитое химическое понятие валентности) меньше, чем у атома углерода: кислород может образовывать лишь две связи, а азот - три.
      Образование молекулы метана: каждый из четырех атомов водорода отдает свой электрон на образование пар с четырьмя электронами углерода, находящимися в волнах-лепестках.
      Число неспаренных одиноких электронов, которые могут войти в волны-лепестки (в углероде-четыре, в азоте-три и в кислороде-два), определяет «связывающую способность» атомов (для углерода-4, для кислорода-2 и для азота-3). Большие стрелки показывают направления, в которых могут образовываться связи.
     
      3.8. Двойная связь
      Иногда атом углерода отдает две или три свои связи какому-нибудь одному атому. В этом случае говорят о двойных или тройных связях, которые изображают на рисунке соответственно двумя или тремя черточками.
      В молекуле этилена два атома углерода связаны между собой двумя связями. Поэтому у каждого из них три соседа: два атома водорода и другой атом углерода. Чтобы образовать эти три связи атом углерода использует две (из трех) волны-восьмерки и волну-шар и создает три волны-лепестка в плоскости молекулы. И еще у каждого атома углерода остается по одной нетронутой волне-восьмерке, направленной перпендикулярно плоскости молекулы.
      Оба атома углерода делят между собой первую удобную волну (внутреннюю), внося в нее по одному лепестку. Эту удобную волну занимает первая пара электронов. Вторая удобная волна (внешняя) образуется при взаимодействии волн-восьмерок, оставшихся нетронутыми. При этом наверху сливаются два гребня, а внизу-две впадины*. Новая молекулярная волна простирается, как мантия, сверху и снизу плоскости, в которой расположены атомы. Эту волну занимает вторая пара электронов. На рисунке эта пара помещена в гребень волны, но точно так же она может находиться и во впадине. Возможен и такой вариант, когда один из партнеров занимает гребень, а другой-впадину. Атомы углерода прочно связываются такой связью; расстояние между ними короче, чем между атомами, связанными простой (одинарной) связью.
      Двойная связь благодаря своей силе придает молекуле определенную прочность. Но в то же время-вот вам многоликость природы-она делает молекулу более реакционноспособной: оба атома углерода могут пожертвовать одну из своих двух связей, все еще сохраняя близость между собой.
      * Значит, эта волна имеет зону покоя в плоскости молекулы. Но в отличие от неудобной волны, эта зона покоя не разделяет ядра, а потому и не мешает электронам.
      Две удобные волны двойной связи (вид сбоку).
     
      ПУТЕШЕСТВИЕ ПО ГОРАМ И ДОЛИНАМ ИЛИ КАК РЕАГИРУЮТ МОЛЕКУЛЫ?
     
      4.1. Будничная жизнь молекулы
      Как в природе (в воздухе, в море и на земле), так и в колбе химика молекула в любой момент может оказаться вовлеченной в реакцию. Контакт с другой молекулой может привести к образованию одной или двух новых молекул путем создания новых связей между атомами сталкивающихся молекул. Иногда эта встреча служит лишь источником энергии, необходимой для того, чтобы первая молекула сама перераспределила свои связи.
      В самом деле, для того чтобы молекула вступила в реакцию, ей почти всегда нужна энергия, так же как необходима энергия для отопления дома или для приведения в движение автомобиля. Эта энергия дает возможность молекуле (или нескольким молекулам) преодолеть самый трудный участок пути ее превращения в продукты реакции. Молекула подобна велосипедисту-гонщику, который начинает свою дистанцию в долине (где молекула находится в состоянии покоя), затем с усилием поднимается на холм, преодолевает его и спускается к месту назначения.
      Чтобы завершить аналогию, нужно еще представить себе, что на пути к финишу велосипедист непрерывно преображается, так что гонщик, преодолевший дистанцию, будет отличаться от стартовавшего! Ведь в результате каждой реакции происходит радикальное изменение расположения атомов и перестраивается скелет молекулы.
      Химики классифицируют реакции по типам изменения атомного скелета реагирующих молекул. Но на самом деле тип и легкость протекания реакции зависят от судьбы электронных пар. Иногда электронные пары остаются в целости и сохранности, просто сама волна меняет форму. Иногда пара разрывается, и каждый из электронов-одиночек занимает свою собственную волну. А иногда из таких одиноких электронов образуется новая пара.
      Молекула похожа на велосипедиста-гонщика, которому нужно преодолеть холм (образ энергии, необходимой для реакции) да, кроме того, еще и преобразиться по дороге! То же самое можно сказать и о реакции между несколькими молекулами.
      4.2. Зонтик, софа и ванна
      Наиболее простыми реакциями являются те, в которых происходит изменение одной-единственной молекулы. Иногда это всего лишь мимолетное превращение, миг-и вот уже снова молекула становится прежней.
      В молекуле аммиака атом азота связан при помощи трех волн-лепестков с тремя атомами водорода, занимающими три из четырех вершин тетраэдра, в центре которого расположен атом азота. К четвертой вершине направлена четвертая волна-лепесток, занятая, как мы видели, свободной парой электронов. По виду молекула аммиака похожа на зонтик, который может раскрываться и выворачиваться. Это очень легкое превращение, и молекула аммиака выворачивает свой зонтик почти десять миллиардов раз в секунду. Такое выворачивание сопровождается изменением направления волны, несущей свободную электронную пару атома азота, но сама пара при этом остается нетронутой.
      Скелет молекулы циклогексана представляет собой кольцо из шести атомов углерода. Эти атомы связаны между собой простой связью, причем на каждую связь приходится по одной паре электронов. Когда молекула циклогексана покоится, она похожа на кресло, отличающееся большой гибкостью. Стоит только дать молекуле немного энергии, как кресло тут же деформируется. Подобно какому-то изменчивому существу, оно превращается сначала в софу, а потом в ванну. И при всех этих превращениях электронные пары, которые обеспечивают связи между атомами углерода, перемещаются, но не разрываются. Ожерелье электронов, как жемчужное ожерелье, меняет только свою форму.
      В молекуле аммиака три атома водорода и свободная пара электронов занимают четыре вершины тетраэдра, в центре которого находится атом азота.
      Превращения скелета из шести атомов углерода в молекуле циклогексана: электронные пары остаются без изменения.
     
      4.3. Одна пара «выгоняет» другую
      А теперь приглядимся к реакции, в которой встречаются две молекулы и в результате которой каждая превращается в новую молекулу. По большей части в таких реакциях электронные пары тоже сохраняются. Сблизим молекулу хлористого водорода, в которой атомы хлора и водорода делят между собой одну пару электронов в удобной волне, и молекулу аммиака. Как мы уже знаем, у молекулы аммиака есть свободная пара электронов в волне-лепестке. Молекулы сближаются и сцепляются, подобно тому как стыкуются в космосе корабли. Во время этого мимолетного контакта атом водорода переходит к молекуле аммиака. Однако, уходя от атома хлора, он оставляет ему свой электрон, так что обе пары остаются целыми. Так возникают атом хлора с избытком электронов и обедненная электронами молекула аммония. В этой реакции одна пара электронов буквально вырывает водород у другой.
      Теперь возьмем молекулу из семьи метана, у которой одну из вершин занимает атом фтора, а в трех других располагаются атомы, которые просто обозначены точками. Вот к молекуле приближается атом фтора с лишним электроном. Подойдя ближе, он попытается установить связь с центральным атомом углерода. Но так как все четыре связи уже заняты, одному из атомов надо уйти из молекулы, чтобы освободить место вновь прибывшему. И тогда уходит тот атом фтора, который был раньше связан с углеродом.
      Особенность этой реакции заключается в том, что атом-захватчик приходит с одной стороны, а тот, кого прогнали, уходит с другой стороны. Поэтому зонтик, образуемый тремя другими атомами, выворачивается. И так же как в случае с настольной лампой, исходная и образующаяся молекулы составляют пару: левая и правая.
      В этой реакции замещения одна пара электронов прогоняет другую. В самом деле, атакующий обогащенный фтор несет в волне-восьмерке электронную пару, с помощью которой образуется новая связь, а уходящий атом фтора уносит свою пару, которая служила для обеспечения связи с атомом углерода.
      Типичная реакция, в которой электронная пара сохраняется (в атоме хлора и в молекуле аммиака изображены только те волны, которые важны для реакции).
      В реакции замещения одна электронная пара «выгоняет» другую.
     
      4.4. Расставания и встречи
      А теперь попробуем разбить электронную пару. Одна из таких пар, которую не так трудно разбить, расположена во внешней удобной волне связи между атомами углерода в молекуле этилена. О ней мы уже говорили выше. Не стоит делить пару, удаляя друг от друга атомы углерода, ведь тогда придется бороться сразу с двумя парами-внешней и внутренней! Лучше всего повернуть плоскость, в которой расположены три правых атома, относительно плоскости, в которой находятся три левых атома. Скрутив таким образом молекулу, мы разделяем волны-восьмерки обоих атомов углерода. Образованная из них удобная волна в результате этого разрушается, так как ни гребни, ни впадины уже не могут объединиться, а внутренняя волна при этом не страдает.
      Когда угол поворота достигнет 90 градусов, происходит полный разрыв пары: обе половинки молекулы удерживаются только одной электронной парой. Поэтому такая скрученная молекула очень неустойчива, и вращение будет продолжаться до тех пор, пока два правых атома водорода не изменят свое положение на противоположное. Тогда оба разделенных электрона снова встретятся и снова образуют единую пару. И молекула этилена восстановится заново.
      Даже для разделения одной внешней электронной пары нужно придать молекуле солидное количество энергии путем нагревания по крайней мере до 500°С. Чтобы удостовериться, что реакция действительно происходит, химик заранее метит молекулу двумя атомами дейтерия, которые во всем похожи на атомы водорода: и своими волнами, и единственным электроном,-но у которых ядра тяжелее. Благодаря этим «изотопным» атомам дейтерия, можно отличить получившуюся после вращения молекулу от исходной.
      Разрыв внешней электронной пары при скручивании молекулы этилена.
      «Изотопные» атомы дейтерия, изображенные голубыми точками, помогают распознать реакцию скручивания молекулы.
     
      4.5. Союз двух... и вечный треугольник
      Вообще говоря, разделение электронной пары, будь то временное или окончательное, дело еще более трудное, чем разрыв внешней электронной пары молекулы этилена. Разводы «по-молекуляр-ному» редки. Можно сказать, что молекулярными реакциями управляет заповедь: «Не разбивай электронных пар». В мире молекул она соблюдается строже десяти библейских заповедей.
      Самыми прочными, противящимися разрыву являются пары, скрепляющие простой связью атомы углерода и водорода или два атома углерода. Как раз такие связи между атомами углерода и водорода существуют в молекуле метана. В самом деле, электронная пара, обеспечивающая каждую связь, прочно закреплена в очень удобной волне, и потому пребывает в состоянии полного счастья. Путем сильного нагревания мы добьемся своего, но, вероятнее всего, при этом будет разорвана вся молекула. А для того чтобы достичь цели мягким обращением, нужно использовать весьма изощренные внешние средства.
      Разрыв электронной пары чаще всего происходит, как и у людей, когда ее покой нарушает третий, одинокий электрон. Если такой электрон, принадлежащий другой молекуле, оказывается поблизости от нашей пары, события развиваются стремительно. Одиночка-гурман стремится занять в паре место электрона с таким же сокровенным свойством, как и у него. Если одиночке удается вытеснить законный электрон (а так часто случается), то в атакованной молекуле связь рвется, а в напавшей молекуле образуется новая связь. Например, атом хлора может отнять у молекулы метана атом водорода и образовать молекулу хлористого водорода.
      Однако следует заметить, что вместо первой пары электронов появляется другая пара-на второй молекуле,-и поэтому можно считать, что просто первая электронная пара поменялась местами с электроном-одиночкой (ведь у электронов нет собственного лица, и отличить их один от другого невозможно). А значит, заповедь не нарушена.
      Одиночный электрон атома хлора отрывает электрон от пары, осуществляющей связь углерода с водородом. Так, атом хлора отрывает атом водорода.
      Электрохимия — это раздел химии, разработанный английским ученым Фарадеем. Метод электрохимии дает возможность обеднять или обогащать молекулу электронами. Подведем молекулу к электроду — электрически заряженной металлической пластинке. Если электрод страдает электронным голоданием (положительно заряжен), он захочет отнять электрон у молекулы, а если он переполнен электронами (заряжен отрицательно), то захочет отдать их избыток молекуле.
      В молекуле ацетона, как и в молекуле метана, имеются связи, где электронные пары устроились основательно. Это особенно относится к связям между атомами углерода.
      Подведем молекулу ацетона к электроду с недостатком электронов: один электрон покинет молекулу. Если при этом затрачено достаточно большое количество энергии, этим электроном может оказаться один из партнеров пары, обеспечивающей углерод-углеродную связь. Так как в удобной волне остался только один электрон, связь может довольно легко разорваться, и тогда образуются анильная частица с электроном-одиночкой и обедненная электронами метильная частица*.
      * Описанная реакция всего лишь модель, реально она происходит с молекулами, подобными молекуле ацетона.
      Молекула ацетона.
      В других молекулах удается добиться разрыва пары, добавляя третий электрон с электрода с избытком электронов. Этот электрон проникает в неудобную волну, принадлежащую связи, о которой идет речь. Так же как в описанном ранее случае с двумя атомами гелия, присутствие электрона-одиночки в неудобной волне разрушит прочность связи: благополучная пара распадется и связь разорвется.
      Поэтому электрохимия представляет собой мощный промышленный метод создания новых молекул: их получают, разделяя некоторые молекулы на части, из которых потом составляют подходящие композиции. В частности, электрохимический синтез служит для получения уже известных нам молекул найлона.
      Потеряв под действием электрода один из своих электронов, углерод-углеродная связь разрывается, и образуются две частицы: ацильная и обедненная метальная.
      Каждый из вас замечал, как желтеют листы газетной бумаги, если долго лежат на свету, и как выцветают чернила от длительного действия солнечных лучей. Таким способом дают о себе знать реакции, вызванные светом,-так называемые фотохимические реакции. Свет заставляет электроны вести себя иначе, чем обычно. Прежде всего он очень быстро поставляет молекуле энергию, требуемую для разделения пары, действуя на электроны, как удар кулака. В одно мгновение один из электронов выбрасывается им в неудобную волну, расположенную в другой части молекулы.
      Возьмем еще раз молекулу ацетона и осветим ее в течение короткого времени. Один из электронов углерод-углеродной связи отбрасывается в сторону углерод-кислородной связи. И на этот раз углерод-углеродная связь, осуществляемая одним только электроном, разрывается.
      С энергетической точки зрения протекание такой фотохимической реакции просто поразительно. Свет чудесным образом меняет характер дороги, по которой должна пройти молекула. Вместо того чтобы подниматься на почти неприступный холм, молекула переносится светом на высокую гору и оказывается на совершенно другой дороге. Эта дорога отлого спускается вниз, и молекула, которую мы представляем в виде велосипедиста-гонщика, без труда достигает конечной цели-превращается в продукт реакции. Таким образом, солнце или искусственный свет действуют как природная «канатная дорога», которая переносит молекулы из долины на вершины самых высоких гор; спускаясь с них, молекулы могут легко преображаться.
      Свет перебрасывает электрон из удобной волны, осуществляющей углерод-углеродную связь, в неудобную волну в области углерод-кислородной связи (с зоной покоя между этими атомами). В результате этого углерод-углеродная связь, удерживаемая всего одним электроном, может разорваться.
      Свет облегчает превращение молекулы, перенося ее на верх энергетической горы.
     
      4.8. Волшебная поверхность и таинственный катализ
      Было бы идеально иметь возможность разрывать связь между атомами, не затрагивая электронную пару, осуществляющую эту связь. Некоторые молекулы, у которых в центре находится большой атом металла, способны выполнять такую операцию. Атом металла-например, родий, четырехкратно связанный в молекуле хлоротрис(трифенилфосфин)родия — подобен мозгу программирующего устройства. При приближении молекулы водорода этот мозг использует все свои многочисленные волны-лепестки для того, чтобы разорвать молекулу водорода. Тогда каждый из обоих атомов водорода образует новую связь с атомом родия, который в результате оказывается связанным шестикратно. Новая молекула химически очень активна, потому что атому родия хочется поскорее избавиться от двух лишних соседей: атомы водорода можно легко передать органической молекуле, чтобы «гидрировать» ее. В промышленности этот процесс позволяет улучшать качество некоторых пищевых масел.
      Теперь сложим из атомов железа такую частицу, которая, еще не будучи видимой невооруженным глазом, уже содержит множество тысяч атомов. На поверхности этой микроскопической частицы металла атомы железа уложены в определенном порядке. Поместим эту частицу в атмосферу азота, состоящего из молекул азота, которые беспорядочно перемещаются с большой скоростью. Время от времени какая-нибудь из молекул приближается к поверхности частицы железа и тут же оказывается ловко схваченной и разделенной! Все три связи между атомами азота рвутся, и каждый атом связывается с одним из поверхностных атомов железа.
      Если мы имеем смесь молекул азота и водорода, последние будут также захватываться поверхностью (адсорбироваться) и разрываться. При этом атомы водорода могут фиксироваться на атомах азота. Эта реакция имеет огромное промышленное значение в производстве аммиака, который используется для получения моющих веществ и удобрений. Металлическое железо является мозгом этой реакции, ее катализатором. А вот механизм катализа пока остается загадкой.
      атом фосфора
      Разрыв молекулы водорода катализатором-молекулой хлоротрис(трифенилфосфин)родия. Каждый из маленьких шестиугольников обозначает фенильную группу, похожую на молекулу бензола, которая одной из своих углеродных вершин соединена с атомом фосфора.
      На поверхности железа молекула азота, несмотря на ее три внутренние связи, легко разрывается.
     
      СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИНИМАТЬ «САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ» РЕШЕНИЯ
     
      5.1. Да или нет для гребня или впадины
      Вид застывших электронных волн имеет не только живописную ценность. В частности, сосуществование в волне-восьмерке гребня и впадины в большой степени определяет форму молекул, их реакции, а значит, и весь мир, который нас окружает. Большое разнообразие в реакционной способности молекул отражает двойственный характер волн.
      Свойства трех волн-восьмерок атома углерода, главного атома органических молекул, связаны преимущественно с этим сосуществованием. Например, зададим себе такой вопрос: могут ли две волны-восьмерки, непосредственно связанные между собой удобным образом (как во внешней волне двойной связи), образовать связь с волной-восьмеркой, принадлежащей третьему атому? Следует ответить утвердительно, если эта третья волна направлена своим гребнем одновременно к обеим другим волнам. И ответ будет отрицательным, если ее гребень направлен к одной волне, а впадина-к другой. В этом последнем случае зона покоя новой волны расположилась бы между атомами, что сделало бы волну неудобной и свело бы на нет благоприятный характер волны, образующейся на другом конце. Этот пример хорошо иллюстрирует, насколько важна точность ориентации реагирующих молекул для того, чтобы реакция могла произойти.
      Еще один вопрос: могут ли две волны, соединенные цепочкой волн-восьмерок, удачно прореагировать, приблизившись друг к другу, чтобы замкнуть цепь? И опять ответ будет положительным или отрицательным в зависимости от числа волн в цепи, как это хорошо видно из рисунка. Таким образом, становится понятным, что возможность существования или устойчивость молекул могут сильно меняться даже в ряду родственных систем. Необходимость замыкания цепи волн благоприятным образом будет продемонстрирована в дальнейшем.
      Могут ли две удобно связанные между собой волны-вось-мерки реагировать с третьей? Ответ будет положительным, если удобная ситуация сложится на обоих концах, и отрицательным, если хотя бы с одной стороны ситуация будет неудобной.
      Может ли быть успешной реакция замыкания цепи волн-восьмерок? Ответ зависит от числа волн в цепи.
     
      5.2. Волны в виде лент
      В молекуле бензола каждый атом углерода окружен только тремя соседними атомами. Поскольку атомы водорода могут образовывать только одну простую связь, каждый атом углерода в кольце должен быть соединен с одним из соседних атомов углерода двойной связью. Тогда для молекулы в целом имеются два возможных варианта, которые представлены на рисунке и которые I были открыты немецким химиком Кекуле в 1867 г. Но молекула бензола не решается принять одну из этих возможных форм. Такое колебание между двумя химическими структурами, которое американский химик Полинг назвал резонансом, служит фактором стабильности. В действительности молекула выбирает промежуточную структуру: все углерод-углеродные связи бензола имеют одинаковую длину. Они длиннее двойной, но короче простой связи.
      Особенности геометрии молекулы бензола находят свое глубокое объяснение в природе удобных волн этой молекулы, которые устроены так же, как и волны в молекуле этилена. Прежде всего с помощью волн-лепестков образуются в молекуле шесть периферических углерод-углеродных связей. Затем остающиеся волны-I восьмерки по одной на каждом атоме углерода, соприкасаясь друг
      с другом, создают еще шесть волн, которые охватывают всю молекулу. Так же как и при встрече двух атомных волн, образуется одинаковое число удобных (три) и неудобных (три) волн. Проследите I за гребнями или впадинами таких удобных волн: они лентой вьются вокруг нескольких атомов. В одной из волн гребень образует полный круг. В двух других гребень имеет меньший размер и разделен на два участка зоной покоя.
      Первая из трех волн самая удобная. Действительно, чем большую протяженность имеет гребень волны, тем она удобнее, так как у длинных волн уменьшается число резких переходов от гребня к впадине, сопровождающихся появлением зон покоя между атомами углерода. В отличие от первой удобной волны молекулы бензола в двух других волнах такой резкий переход существует. В каждой из трех удобных волн находится электронная пара. В принципе эти три пары могут сформировать три двойные связи в молекуле. Но I так же как молекула колеблется в распределении своих трех связей, три удобные пары служат в равной степени укреплению шести углерод-углеродных связей.
      Молекула бензола колеблется в выборе между этими двумя структурами.
      Три удобные волны-ленты в молекуле бензола. В каждой содержится по электронной паре.
     
      5.3. Правило 2, 6, 10
      Если молекула бензола так устойчива, то чем же объяснить неустойчивость молекулы циклобутадиена, представляющей собой правильный квадрат? Почти сто лет химики искали это вещество, и им удалось его выделить на очень короткое время лишь при очень низких температурах. Однако его можно стабилизировать атомами металла в виде супермолекулы циклобутадиентрикарбонила железа, похожей на молекулы-сэндвичи, о которых мы рассказывали выше.
      Все это говорит о том, что жизнь молекул управляется очень тонкими законами. Исполнителями этих законов служат электроны и их волны. Один из основных законов касается стабильности молекул, он позволяет или не позволяет ансамблю атомов построить устойчивое здание. Закон требует, чтобы электронные пары занимали только удобные волны. Так это было в молекуле бензола, а раньше мы это видели на примере молекул водорода, метана и этилена. И напротив, в молекуле циклобутадиена с двумя электронными парами в волне-ленте только одна из них находит подходящую удобную волну. Вторая же должна довольствоваться волной, у которой характер серединка наполовинку — ни совсем удобный, ни совсем неудобный. Заселение этой «безликой» волны и приводит к малой стабильности молекулы.
      Различие между бензолом и циклобутадиеном иллюстрирует химическое правило 2, 6, 10, которое гласит, что среди молекул, атомные волны которых соприкасаются гребнями, образуя волну-ленту, устойчивы лишь те, которые имеют 2, 6, 10... электронов, или 1, 3, 5... электронных пар!
      Молекула циклобутадиена очень неустойчива, устойчивой она может стать только в супермолекулах, например в циклобутадиентрикарбониле железа.
      Неустойчивость молекулы циклобутадиена вызвана присутствием электронной пары в «безликой» волне-ленте, где удобные и неудобные свойства уравновешены.
     
      5.4. Запрещенные и разрешенные реакции
      Сблизим две молекулы этилена. Поскольку в них атомы углерода владеют совместно двумя связями и двумя парами, представим себе, что каждая молекула отказывается от одной связи и от одной пары. Освободившиеся при этом две электронные пары могли бы создать две связи между молекулами. Так получилась бы хорошо известная молекула циклобутана. Тем не менее эта реакция не идет даже при очень сильном нагревании.
      А теперь к одной из таких же молекул этилена приблизим молекулу бутадиена, скелет которой содержит четыре атома углерода и две двойные связи, т.е. две пары электронов в волнах-лентах. На этот раз даже при слабом нагревании молекулы соединяются легко, и образуется молекула циклогексена с шестью атомами углерода и одной двойной связью. Эта реакция называется реакцией Дильса-Альдера в честь открывших ее немецких ученых. Особую ценность она представляет для химического синтеза многочисленных циклических молекул, поскольку эта реакция легко приводит к образованию колец из атомов.
      Несомненно, читателю покажется поразительной аналогия, которую можно провести между удавшейся реакцией образования шестизвенного кольца из трех электронных пар и стабильностью молекулы бензола, с одной стороны, и неудавшейся реакцией образования цикла из четырех атомов и нестабильностью молекулы циклобутадиена, с другой.
      Эта реакция не может произойти: две молекулы этилена встречаются и расходятся без изменений.
      Эта реакция протекает легко: при встрече молекулы этилена с молекулой бутадиена образуется новая молекула циклогексена.
     
      5.5. Закон, управляющий развитием волн
      Американские химики Вудворд и Хофман обратили внимание на различие между двумя предыдущими реакциями и установили его причину, сравнив волны исходных веществ и волны продуктов реакции.
      Это сравнение, весьма сложное для упомянутых реакций, мы хотим проиллюстрировать здесь на примере встречи двух молекул водорода, которые захотели бы образовать молекулу, составленную из четырех атомов водорода (такая реакция запрещена). В исходных молекулах обе волны, занятые электронными парами, со всех сторон похожи друг на друга. Про такие волны говорят, что они симметричны. В противоположность этому в продукте реакции правая часть одной из волн представляет собой гребень, а левая — впадину, разделенные посередине зоной покоя, т. е. такая волна антисимметрична.
      Значит, в результате реакции изменилось бы важнейшее свойство удобной волны-симметрия. Такое изменение и внезапное появление зоны покоя, которой до этого не было, равноценны разрыву электронной пары в волне. А поскольку такой разрыв противоречит заповеди, о которой мы говорили выше, реакция будет запрещена.
      Таким образом, в химических реакциях, как это показали Вудворд и Хофман, во избежание разрыва электронной пары симметрия удобной волны должна сохраняться.
      Реакция между двумя молекулами водорода запрещена: сравните волны исходных молекул и удобные волны продукта реакции (если бы такой существовал). В исходных реагентах волны атомов слева и справа одинаковы (симметричны). Одна из волн гипотетического продукта является антисимметричной-между ее левой и правой частями расположена зона покоя.
     
      5.6. Змея, кусающая себя за хвост
      Если молекуле бутадиена дать дополнительную энергию, она может реагировать сама с собой, и в результате замкнется цепочка из четырех атомов углерода. Образуется новая молекула-молекула циклобутена. Для того чтобы сделать это, нужно заставить атомы водорода на концах цепи повернуться так, чтобы волны-восьмерки, принадлежащие концевым атомам углерода, оказались друг против друга. Тогда они смогут пере крыться и образовать новую удобную волну.
      Вудворд и Хофман заметили, что для этой реакции возможны два пути в зависимости от того, вращаются ли оба конца молекулы в одном и том же направлении или в противоположных. Они установили, что разрешен лишь один из этих путей.
      Японский химик Фукуи доказал, что ход реакции определяется наименее удобной из волн, занятых электронами. В данном случае волна-лента, охватывающая всю цепь (как в молекуле бензола), на одном конце имеет гребень, а на другом-впадину как над плоскостью молекулы, так и под ней. Для того чтобы образование углерод-углеродной связи протекало в благоприятной ситуации, требуется, очевидно, встреча двух гребней. А для обеспечения такой встречи гребней на концах цепи-что напоминает змею, кусающую себя за хвост, - оба конца должны вращаться в одном направлении.
      Замыкание молекулы бутадиена в молекулу циклобутена: перестройка менее удобной волны-ленты в случае двух возможных движений (при замыкании амплитуды волн двух центральных атомов углерода исчезают).
     
      5.7. Столкновения между молекулами происходят по правилам бокса
      Как мы уже говорили, реагирующая молекула подобна велосипедисту-гонщику. Ее путь представляет собой извилистую трассу, изобилующую поворотами. Но если все гонщики стремятся выполнить вираж след в след, то каждая молекула мчится по своей трассе, отличной от трасс других молекул, и при этом еще вертится волчком и делает танцевальные па. Ясно, что движение по такой трассе должно быть очень сложным.
      Для примера рассмотрим встречу атома дейтерия и молекулы водорода (одинокий электрон атома старается разделить электронную пару молекулы). Пока атом приближается, молекула продолжает совершать свои танцевальные па: связь между атомами водорода то растягивается, то сжимается. Если атом застигает молекулу в момент растяжения связи, происходит реакция и атом связывается с одним из атомов молекулы. Если же атом застает молекулу в момент сжатия связи, реакции не происходит.
      Эта ситуация очень напоминает встречу боксеров. Если боксер наносит удар противнику в тот момент, когда тот отступает или уклоняется, удар гораздо менее эффективен, чем тот, который нанесен «в лоб», в момент сближения.
      Выходит, что для результативного взаимодействия между молекулами еще недостаточно соответствующего расположения электронных волн; необходимо также, чтобы соблюдалось соответствие в расположении атомов в каждый момент, т. е. порядок системы.
      Реакция не происходит, так как атом застает молекулу в момент сжатия.
     
      5.8. Сигналы молекул
      Как же молекулы дают о себе знать? Прежде всего вращательное движение изолированной молекулы и колебательные движения ее атомов подчиняются строгим законам. В любой момент молекула может изменить свои движения, обменявшись с внешней средой крупицей энергии. Это изменение выражается в виде какого-то сигнала, который может быть зарегистрирован и который несет важную информацию о молекуле.
      Такой сигнал подается также, когда свет разбивает электронную пару и выбрасывает один из электронов в неудобную волну. Во время этого электронного прыжка молекула поглощает частицу световой энергии; молекула и ее сестры-близнецы поглощают при этом строго определенный свет, и составленное из них вещество покажется нашим глазам окрашенным. Если в каждой молекуле электрон прыгает в очень неудобную волну, вещество не окрашено; если волна чуть поудобней, мы видим желтый или оранжевый цвет; если же волна только немного неудобная - цвет будет красным, зеленым или голубым. Значит, если в тюльпане молекулы, поглощающие свет, имеют очень неудобные волны, то его лепестки будут желтыми, а если волны неудобны лишь самую малость-вот вам фиолетовые лепестки!
      Таким образом, чудесная молекула имеет множество способов дать о себе знать, хотя мы и не можем ее видеть. Жизнь - это труд бесконечного множества молекул. И даже приходя в волнение при виде матери, целующей ребенка, или футболиста, забивающего гол, может быть, мы в душе улыбнемся, вспомнив о невидимках, ответственных за эти действия.
      Желтый тюльпан (молекулы его лепестков имеют очень неудобные волны) и фиолетовый тюльпан (в его лепестках молекулы с довольно удобными волнами).

|||||||||||||||||||||||||||||||||
Распознавание текста книги с изображений (OCR) — творческая студия БК-МТГК.