Лионель Салем
Чудесная молекула
*** 1985 ***
Учебник прислал Александр (aleks-244).
_____________________
От нас: 500 радиоспектаклей (и учебники)
на SD‑карте 64(128)GB — ГДЕ?..
Baшa помощь проекту:
занести копеечку — КУДА?..
|
СОДЕРЖАНИЕ Предисловие редактора перевода....... 5 Предисловие ................ 7 1. Форма и фантазия (геометрия молекул)......... 8 2. Молекулы и семейства молекул: из чего состоят окружающие нас вещества?... 24 3. Застывшие волны (электроны внутри атома)... 40 4. Путешествие по горам и долинам или как реагируют молекулы? ...... 56 5. Да или нет (об удивительной способности электронов принимать «самостоятельные» решения)..... 72 Словарь для химиков............... 88 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА 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. 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 ai омами, 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. 3-955 13 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. 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. 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. 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! молекула воды 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). 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. 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). 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. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ |
