Чудесная молекула

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. Она напоминает персик (атом кислорода), к которому прикреплены два абрикоса (атомы водорода)

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.

Схема молекулы воды. Ее легко получить, соединив черточками центры атомов

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.

Молекула воды подобна волчку. Молекула-волчок может вращаться тремя способами

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.

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'

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.

1.3. Детский конструктор из атомов

Для постройки молекул больше всего пригоден атом углерода. Ведь он может соединяться четырьмя различными связями с четырьмя другими атомами, 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.

Молекула метана. В вершинах тетраэдра расположены четыре атома водорода, а его центр занимает атом углерода

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.

Молекула паракарборана образует икосаэдр

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.

1.4. Молекулы-сэндвичи

Молекула гексакарбонила хрома образует октаэдр

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.

Супермолекула ферроцена имеет форму сэндвича

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.

Скелет молекулы трис-циклопентадиенилдиникеля по форме представляет собой двойной сэндвич (в этой молекуле не хватает отрицательно заряженной частицы, следовательно, она несет положительный заряд)

Существуют даже многослойные сэндвичи, такие, как молекула трис-циклопентадиенилдиникеля, в которой три углеродных пятиугольника чередуются с двумя атомами металла.

1.5. Правые и левые молекулы

Две настольные лампы, несмотря на сходство, не одинаковы

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.

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)

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.

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.

'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

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[1] 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.

1.7. Запах молекул

Молекула бензола

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.

Молекула сероводорода имеет запах тухлых яиц

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.

Скелет молекулы амилацетата (имеет запах грушевой эссенции). Главная цепь образована в основном атомами углерода, связанными с атомами водорода

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

Вредные и полезные молекулы. Окись углерода — это быстродействующий яд, потому что она связывается с кровью быстрее, чем кислород, которым мы дышим днем и ночью

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.

Схематическое изображение молекул аспирина и новокаина. Молекула эфира

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.