Чудесная молекула

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.

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

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!

2.2. Алмаз и... стекло

Основной фрагмент структуры алмаза. Каждый атом углерода связан с четырьмя другими, находящимися в вершинах тетраэдра

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!

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

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 — кислородном 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.

2.3. Водородные мостики и весна

Лед. Каждая молекула воды окружена четырьмя другими благодаря водородным мостикам

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.

Схема (фрагмент) молекул воды, соединенных водородными мостиками (пунктир) в структуре льда

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!

2.4. Вечная суета в мире жидких тел

Молекула метилового спирта; расположение молекул метилового спирта в жидком состоянии (пунктиром изображены водородные мостики)

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.

Молекула эфира; расположение молекул эфира в жидком состоянии (это расположение беспрерывно меняется). Водородных мостиков уже нет

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.

2.5. Молекулы, помогающие узнавать время

Молекула МББА. Скелет молекулы состоит в основном из атомов углерода, к которым снаружи присоединены атомы водорода

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 N-пара-метоксибензилиден-пара-бутиланилина, или МББА, расположенных параллельно друг другу, словно косяк отдыхающих угрей.

Молекулы МББА в жидком кристалле напоминают косяк угрей. Такой кристалл прозрачен

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.

Те же молекулы в сильном электрическом поле образуют вихри, среда становится непрозрачной

Вот так на циферблате появляется цифра 5

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

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

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.

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

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.

2.7. Каучук, найлон и дерево

Углеродный скелет молекулы полиизопрена (этот фрагмент повторяется бесконечное число раз)

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.

Молекула полиизопрена, свернутая в клубок

Скелет молекулы найлона состоит в основном из атомов углерода; кроме того, там имеются атомы азота и кислорода

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.

Скелет молекулы целлюлозы состоит из атомов углерода и кислорода

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!

2.8. Воздух, которым мы дышим

Молекулы, из которых состоит воздух

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.

Схематическое изображение расположения молекул в воздухе, которым мы дышим

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.