л. САЛЕМ


'ЕО.. ·
\ Е 11 ·


,
" ..,






--




C:>-
 "


1',


. .


...... .


..' .




Л. САЛЕМ


ЧIIАЕОElRR
..ВЕНIIВН




,
Ш.IЕОUIЕ
IR ШЕRIЕIIIЕUSЕ


SALEM L.


Directeor de Recherches ао CNRS
Laboratoire de Chimie Theoriqoe,
associe ао CNRS
Universite de Paris
Sod, Orsay


IIlostrations de Colin Rattray


L'EDITION ORIGINALE
А ЕТЕ PUBLIEE EN FRANCE
SOUS LE TITRE
MOLECULE LA MERVEILLEUSE
PAR
INTEREDITIONS, PARIS




Л. САЛЕМ



HI.EaBHH
шаВЕННВН


2
e издан ие


Перевод с французскш"о
канд. хим. наук Л. А. Абрамовой
под редакцией
д
pa хим. наук Э. П. Серебрякова


Москва «Мир» 1985




ББК 24
С 16
УДК 54


Салем Л.
с 16 Чудесная молекула: Пер. с франц. 2
e изд.
M.:
Мир, 1985;"'"'"88 Л., ИЛ.


Известный французский химик
орrаник Лионель Сале м написал эту книrу МЯ
популяризации новейших достижений теоретической химии с тем, чтобы их пони

мание стало доступным любознательным людям, даже не владеющим химическими
знаииями, В доступной форме, с большим юмором автор рассказывает о строении
и свойствах молекул, их реакционной способности, природе химической связи. Кни

ra боrато иллюстрирована.
Предназначеиа для широкоrо Kpyra читателей,


с 1801000000
245
84
85, ч.l
041(Ol)
85


ББК 24
54


Редакция литературы по хиАlllи


@ 1979 par 1 nterEditions, Paris S. А.
@ Перевод на русский язык,
«Мир», 1983, ]985.




ПРЕДИСЛОВИЕ
РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА


Простота, остроумие и лаконичность книrи Лионеля Салема дe

лают ненужными долrие объяснения в виде предисловия к этой Ta

лантливой книжке. Переверните страницу
 и книrа начнет rоворить
сама за себя. Может быть, вы, уважаемый читатель, стоите сейчас
у книжноrо прилавка и, читая предисловие, раздумываете, поку

пать ли эту книrу? Не раздумывайте, покупайте!
Лионель Салем
 ученый С мировым именем, один из виднейших
специалистов в области теоретической орrанической химии. Вместе
с тем он талантливый педаrоr и увлеченный пропаrандист химиче

ской науки. Во Франции книrа Салема получила почетный приз как
образец научно
популярной литературы. Автор адресовал ее в paB

ной мере и химикам, и нехимикам. И действительно, знакомство
с этой книжкой приятно и полезно читателям любоrо возраста
и caMoro разноrо уровня научной подrотовки. Единственное требо

вание к читателю
 чтобы у Hero было желание получше уяснить ce

бе химические основы окружающеrо нас материальноrо мира.
Если вы, уважаемый читатель, учитесь rде
то в седьмом
девя

том классе, эта книжка в живой и наrлядной форме дополнит
мноrие важные разделы школьноrо учебника химии. Если препо

даете химию в школе или в институте, книrа Салема, безусловно,
поможет вам в работе. Даже если вы имеете честь быть академи

ком, внесшим оrромный вклад в развитие химической науки, не
пренебреrайте этой книжкой, ибо с ростом наших знаний и опыта
растет и тяrа к синтезу понятий и обретению ясности и простоты
В сложной картине мира. Наконец, если вы не имеете и не собирае

тесь иметь никаких серьезных взаимоотношений с миром химии,
а просто любознательны, эта книжка все равно будет вам полезна.
как интересный рассказ об основных закономерностях, составляю

щих суть мноrих важных процессов в технике, биолоrии и медици

не.
Нужно, однако, предупредить, что «Чудесная молекула»
это не
учебное пособие и не краткая химическая. энциклопедия. Автор CTa

вил перед собой друrую задачу: доказать, что о сложнейших поня

тиях физики, химии И молекулярной биолоrии можно ясно и KpaT

ко рассказать языком повседневной жизни, рассказать образно,
с юмором и одновременно с уважением к читателю, т. е. не пере



2
955


5




ступая rрани, отделяющей простоту от упрощенчества. При таком
подходе «спортивный интерес» заставлял Салема обсуждать имен

но те аспекты современной химии, rде, казалось бы, невозможно
обойтись без научной абстракции: волновые свойства электрона,
принцип Паули, значение rраничных орбиталей, ароматичность, co

хранение орбитальной симметрии, реакции электронно
возбу

жденных состояний и т. п. Руководствуясь принципом «от простоrо
к сложному», он С этими трудностями блестяще справился, и успех
ero предприятия должен стимулировать качественный рост научно

популярной литературы по химии.
В книrе нет отдельных rлав, посвященных таким фундамен

тальным проблемам, как валентность, периодический закон, элек

тролитическая диссоциация, теория лиrандов, кислотно
основные
и окислительно
восстановительные равновесия, двойственная peaK

ционная способность, но эти вопросы в той или иной мере затро

нуты Салемом при обсуждении друrих вдохновлявших ero про

блем, и для rpaMoTHoro химика не составит труда, идя по
намеченному автором следу, развить ero мысль и дать образное
объяснение названным феноменам. Зато как леrко преподнесен «дo

полнительный материал» (внимание, учащиеся и преподаватели!)
о макроциклических ионофорах, о хеморецепции и фармаколоrии,
о жидких кристаллах и поверхностно
активных веществах. Если вы
любите химию или хотя бы относитесь к ней с некоторым интере

сом, книrа Салема вас не разочарует.
Ее стоит читать. И даже перечитывать.


Э. Серебряков




Нехимикам, а также химикам


ПРЕДИСЛОВИЕ


«Ах! Наука идет lJIедостаточно 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 дл:я понимания спе

циальным научным языком, которым ученые порой прикрывают
свое безразличие к популяризации добытых ими знаний. А ведь
лоrика ученых так же проста. как и лоrика детей.
Эта книrа
 попытка снять с науки ореол таинственности. Я хочу
в ней показать, что о современной науке можно rоворить обычным
языком. Во всех случаях, кроме области элементарных частиц,
я намеренно отказался от любых научных терминов и использовал
подходящие понятия разrоворноrо языка.
В качестве объекта для такой попытки я выбрал молекулу. Co

ставленные 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 ис

пользуют повседневные слова: эта молекула похожа на кресл(', Ta

на куб, Ta
Ha кольцо. Читатель этой книrи тоже должен поста

раться думать о молекулах как о маленьких предметах, которые
можно потроrать, пощупать, положить перед собой на стол, чтобы
полюбоваться их формой со всех сторон. Впрочем, и химики, же

лая 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 пони

маем жизнь. Но, наделенные энерrией блаrодаря теплу окружаю

щей среды, они движутся, колеблются и, самое rлавное, обладают
удивительной способностью к превращениям. Эта способность
проявляется в том, что называется реакцией: две молекулы BCTpe

чаются и превращаются в две совершенно друrие! Но и тут чита

тель, восхищаясь происходящим, может не искать ничеrо CBepxъ

eCTeCTBeHHoro: просто встреча двух молекул позволяет некоторым
атомам менять свое положение.
Разумеется, настоящие молекулы так малы, что для образова

ния частички материи, видимой невооруженным rлазом, нужны
миллиарды и миллиарды молекул. Ну и что! Пусть вас это не CMY

щает
 войдем в этот мир бесконечно малоrо.


Октябрь 1978


Л. Салем


2*




I


ФОРМА И ФАНТАЗИЯ
(rЕОМЕТРИЯ МОЛЕКУЛ)


1.1. Молекула воды


Возьмите каплю воды и измерьте ее. Разделите полученную Be

личину на тысячу, потом еще на тысячу и еще на сто
и вы получи

те размер молекулы воды. Требуется множество миллиардов таких
молекул, чтобы получилась капля воды, точно так же, как для по

стройки дома нужно orpoMHoe 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 кис

лорода связан с каждым атомом водорода отдельной связью. Эту
связь обозначают черточкой, которая соединяет центры кружков,
изображающих атомы. Иноrда контуры атомов опускают и ри

суют такие черточки между центрами атомов, изображаемых в ви

де точек. (Некоторые атомы MorYT быть связаны друr с друrом
двумя или тремя связями
тоrда между их центрами рисуют две
или три параллельные черточки.) Такими схемами и пользуются
химики.
С давних времен природа этой связи занимает воображение
ученых. HeMHoro позже мы поrоворим о ней подробнее. Эта связь
так прочна, что для разрыва молекулы водь! нашу каплю нужно
поместить в специальную печь и наrpеть выше 2000 0 С.


8




связь




атом


 иuслорода


атом
водорода" , ''t';;


",,</


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


центр атома кислорода


/6

.

центр атома воаорооа


Схема молекулы воды. Ее леrко получить, соединив черточ

ками центры атомов.


9




1.2. Волчок и танцевальные па


Выделим из капли воды одну молекулу
 например, ту, KOTO

рая вылетела в воздух. Подобно волчку, она вращается BOKpyr
своей оси с фантастической скоростью. За одну секунду она COBep

шает 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 He

прерывный танец: они HeMHoro удаляются друr от дрyrа, прибли

жаются, раскланиваются дрyr с друrом и снова расходятся. При
этом обе связи между атомом кислорода и атомами водорода сжи

маются, потом растяrиваются, как рессоры, а уrол, образуемый
этими связями, то увеличивается, то уменьшается. Так молекула
воды непрерывно деформируется, следуя предустановленной rap

монии. Все три атома действуют заодно, и их движения великолеп

но скоординированы.
Атомы MorYT танцевать три разных танца. В первом танце обе
связи одновременно растяrиваются, во BTOpOM
OДHa связь удли

няется, а друrая сокращается. Третий танец
 настоящее «соло
уrла»: молекула раскрывается и закрывается, как веер.


10




q:..


1'/
;-4

,/".. 1 ")7


.
I
--#/
 .
,.", '

: "<"IO
 \ ":
 . ' .

,( 1/ .
'.', '>#


.", '. ,)


" "





',
'i
 и
, ,;



'.""..-- "
""

 ,
'
1! >.)
N '; " ',. (


,...
!"""


\


"



"


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


,,(
) >
. " ',""."
,..
'" . ,"1 " ( ;"';'"
. ,)"", ,',' '.

 .
. II!.
. . '",
'.



......


#F

7" .. ' .
 ' u " m
<t ; ", '.;,
. ",

(;,'p i}
"'.;;; /.,
.
 -:, I
.'t
 "
.{
..,ит,' '.,,;
:/:
 J'

.' '
. "
'. ,----:
. W;C.':

, ',;,..



.
<. '

)\2/
'.
 . "
 :о'


в молекуле воды атомы совершают три разных танца:
в первом танце связи между ними соrласованно растяrи

ваются и сжимаются; во втором
 одна связь сжимается,
друrая растяrивается; третий танец
 это «соло уrла».


11




1.3. Детский конструктор из атомов


Для постройки молекул больше Bcero приrоден атом уrлеро

да. Ведь он может соединяться четырьмя различными связями
с четырьмя друrими .Н t)мами, причем каждая связь очень прочна.
Блаrодаря этому в природе возможно создание молекул в про

странстве по образцу детскоrо конструктора. Из атомов уrлерода
составлены каркасы (<<скелеты») всех молекул орrаническоrо мира:
и молекул тела человека, и молекул растений, и молекул нефти.
В семье орrанических молекул самая простая молекула состоит
из одноrо атома уrлерода, связанноrо с четырьмя атомами BOДOpO

да. Это молекула метана, которая имеет форму правильноrо TeT

раэдра и похожа на пакет молока. Уrлеродные скелеты MorYT
принимать и друrие формы: одни растянуты в виде цепей, друrие
складываются более компактно
 в призмы или кубы.
Атом бора способен окружать себя еще большим числом coce

дей, поэтому формы ero соединений еще более разнообразны, чем
у уrлерода. Он образует великолепные пространственные фиrуры.
Например, молекула паракарборана с десятью атомами бора
и двумя атомами уrлерода представляет собой икосаэдр с двенаk
цатью вершинами.


12




атом водорода
."- I
l.c



атом !f2лерода


Молекула метана. В вершинах тетраэдра расположены
четыре атома водорода, а ero центр занимает атом
уrлерода.


атом !f2лерода


:

+
::
T l ' . '!р


,}.
". ...
"...:
i
:
.
-.


:.,


/







атомы
вооорооа
\


, ; \
\ .'
\,,'

+> L '
 7МЬ! 60 р а
... /
f . ..
.
" '"о
..
. "








'f


 атом !/zлерода


Молекула паракарборана образует икосаэдр.


З
955


13




1.4. Молекулы
сэндвичи


Совершенно иные rеометрические фиrуры образуются BOKpyr
атомов металлов: хрома, железа, никеля. Они стремятся окружить
себя достаточно большим числом атомов
соседей: иноrда четырьмя,
расположенными в одной плоскости, а чаще шестью, для Toro
чтобы получился октаэдр, как, например, в молекуле rексакарбо

нила хрома. Число соседей и направление связей зависят rлавным
образом от ПРИРОДЫ центральноrо атома.
В некоторых случаях даже небольшие молекулы, не устойчивые
сами по себе, прикрепляясь к атому металла, дают устойчивое
сооружение. Например, два остатка орrанической молекулы ЦИКЛО

пентадиена (они содержат на один атом водорода меньше и назы

ваются циклопентадиенилами) с пятиуrольными скелетами из aTO

мов уrлерода MorYT прикрепиться с двух сторон к атому железа.
Образовавшаяся при этом супермолекула, которую называют фер

роцен, похожа на сэндвич. Этот бесконечно малый мир вообще
похож на мир, созданный руками человека, и даже превосходит
ero по фантазии.
Существуют даже мноrослойные сэндвичи, такие, как моле

кула трис
циклопентадиенилдиникеля. в которой три уrлеродных
пятиуrольника чередуются с двумя атомами металла.


14




атом

lfuслоро3а

 I
'/;' f \ . '
, ' \

 "


' ,'
 ',' :-,,"' 't '" , .
',1. ........ \ У' '
'.'

.
 >r \

:::'
/ . \ j .;;'" ,
11
'l;
':" / \ I
""
.
 ......'" i' \/
" ":,'
""/
1"";\ , ,/ //
атом хрома '\ \ , , IJ
"::, L5;'


атом Уi!леро3а


Молекула rексакарбонила хрома образует октаэдр.


атом
Уi!лероuа


ocтaтOI{ молеlfУЛЫ цuклопентаuuена
/
/


остаток молекулы цuклолентадuена
\

Q атом
.... НUlfеля


<
.r
./
атом
водорода


З.


;;;;.7.
.

<


i, {
 С}."


.'


,
.
"''':;''(1'


ti--


. ."!::,
\..,
'




."i
7"


атом
железа


'\


J.... ;
,
,..:",,
.,.
 "


<ф


.
I
с:>


Скелет молекулы трис
цикло

пентадиенилдиникеля по форме
представляет собой двойной сэн

двич (в этой молекуле не XBa

тает отрицательно заряженной
частицы, следовательно, она He

сет положительный заряд).


Супермолекула ферроцена
имеет форму сэндвича.


15




1.5. Правые и левые молекулы


Перед вами две настольные лампы. Они совершенно одина

ковы на вид: у каждой три ножки, покрашенные в три одинаковых
цвета. Попробуйте, однако, совместить их друr с друrом
 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
моrли бы сказать про одну «моя правая лампа», а про друrую
«моя
левая лампа».
Существует большое число пар левых и правых молекул, KO

торые, как и эти лампы, невозможно совместить в пространстве.
Так, молекулы аминокислот, необходимые для построения молекул
белка, существуют в левой и правой формах. Для примера посмо

трите на молекулы аланина. Но самое удивительное, что в орrаниз

ме человека и животных присутствуют только левые формы всех
этих молекул! Причина TaKoro выбора остается заrадкой, так как
очень мало явлений природы имеют определенное направление.
Среди них, например, вращение Земли BOKpyr своей оси или
направление некоторых ветров. И все же трудно себе представить,
каким образом эта особенность моrла при зарождении жизни по

влиять на образование молекул аминокислот.
Как же в смеси молекул отличить левую молекулу от правой?
Это не менее тру дно, чем в темноте отыскать в ящике правую пер

чатку. В этом случае лучше Bcero примерять каждую перчатку на
правую руку. Точно так же молекула с левым или правым xapaKTe

ром может различить и разделить находящиеся в смеси молекулы,
только вступив с ними в реакцию.


16








Две настольные лампы, несмотря на сходство, не одина

ковы.


карьоксuльная 2рупла


,
А 2ле о()
.......
........ вo
opo

аМUНО2руппа метильная 2руппа


левая молекула аланuна (схема)


иарьоисuльная еруппа
,
уzлеро?!
"""-...... метильная

 " ... еруппа
аминоеруппа во?!оро?!


правая молеиула аланuна (схема)


Для обеих молекул rруппы атомов, связанные с цeH

тральным атомом уrлерода, представлены схематично
(метильная rруппа состоит из уrлерода и трех атомов
водорода, в аминоrруппе один атом азота связан с ДBY

мя атомами водорода, а в карбоксильной rруппе атом
уrлерода связан с двумя атомами кислорода, один из
которых, кроме Toro, связан с атомом водорода).


17




1.6. Молекулы
ловушки


Человек создает MHome новые молекулы, заставляя реаrиро

вать между собой те, которые уже существуют в природе. Созда

ние новых молекул требует инженерноrо таланта и сноровки, по

скольку нужно про явить 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 необыкно

венные свойства. Например, молекулы криптатов бьши 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 коrда такой атом натрия за

хватывается «челюстями» криптата, он уже не может вырваться.
Атомы на краях молекул криптатов сходны с атомами, из KO

торых построены молекулы клеточных мембран, поэтому криптаты
леrко проникают через стенки клеток орrанизма человека. Значит,
молекулу криптата можно использовать для введения в клетку KaKO

rо
нибудь атома или небольшой молекулы. Это дает в руки медицины
мощный инструмент, с помощью KOToporo можно будет вводить
в кровь и ткани молекулы лекарств.


* Обедненный или обоrащенный атом во всех отношениях
похож на обычный атом с одной только разницей: он несет
электрический заряд, тоrда как обычный атом ero не имеет. Так
же как на клеммах аккумулятора, этот заряд может быть поло

жительным (это «обедненный» атом, у Hero отсутствует электрон

отрицательно заряженная частица) или отрицательным (наличие
дополнительноrо электрона делает атом «обоrащенным»). Проти

воположные по знаку заряды притяrиваются дpyr к дpyry; именно
это и происходит с атомами кислорода, несущими отрицатель

ный заряд, и обедненными атомами натрия, которые несут поло

жительный заряд.


18




.
/
..





..
 .
 .

/
=--..
-.........;
 . .'

.
 атом азота атом азота ............... .
""

 атомы 1(uслороi)а

. '" /
.
.

.


(томы КШЩОР
 \
d/



.
am

m
я \
.


«Обедненный» атом натрия захвачен молекулой криптата.
Здесь обозначен лишь скелет молекулы криптата, состоя

щий в основном из атомов уrлерода и содержащий также
шесть атомов кислорода поблизости от захвачеНlIоrо
атома.


19




1.7. Запах молекул


Молекула бензола представляет собой правильный шестиyrоль

ник из атомов уrлерода, каждый из которых связан с двумя друrи

ми атомами уrлерода и с одним атомом водорода. Целое семей

ство молекул имеет в основе своей один или несколько таких
шестиyrольников: они носят название ароматических молекул.
И действительно, кроме мноrих друrих интересных свойств, напри

мер большой устойчивости, эти вещества обладают сильным
и очень разнообразным запахом
 от запаха аниса до запаха Ha

фталина или ryдрона.
Мноrие молекулы имеют специфический запах. Но иноrда бы

вает достаточно заменить один
единственный атом в молекуле,
чтобы совершенно изменился ее запах. Молекула сероводорода, KO

торая, 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 rрушевой эссенцией
 так пахнет лак
для ноrтей.
Специфический характер запаха определяется тем, каким спосо

бом каждая молекула располаrается на клетках внутри нашеrо HO

са. Но в этой тайне еще очень MHoroe остается нераскрытым.


20




..



 $'
>; у.'Н
#J ?:
.

'\...,. .../


,r)


1
,..,.,', "Р'


атом !lелеро
а_____


frr



""....."
.
%" ....,.
.!A .., ,-атом вoдopo
a
v "'
.,. .'- ..;:.)
:i;):J


J


Молекула бензола.


атом серы


атом вo
opo
a
I""


"


Молекула сероводорода имеет запах тухлых яиц.


8 .............
8
I


\ j8 \ j8
.
/.

/8\ /\
8


8


.
атом хuслорода 1
Л/ Л.:
8
11
9
атом lшслорода


.


Скелет молекулы амилацетата (имеет запах rрушевой эс

сенции). rлавная цепь образована в основном атомами
уrлерода, связанными с атомами водорода.


4
955


21




1.8. Вредные и полезные молекулы


Некоторые молекулы, даже самые маленькие, таят в себе CMep

тельную опасность. Korдa они попадают в орrанизм человека, Ha

ши орrаны ошибочно принимают их за друrие. Так, при вдыхании
молекул окиси yrлерода леrкие принимаю т их за молекулы кисло

рода, поскольку И те и дрyrие одинаковы по размеру и даже совпа

дают по форме. Молекулы окиси уrлерода уже за несколько секунд
завершают свою rубительную работу: они накрепко соединяются
с кровью, занимая места, предназначенные для кислорода.
Некоторые полезные молекулы изменили наш образ жизни, Ha

пример молекулы смол и пластмасс. Друrие способствовали про

rpeccy в медицине. Кому не приходилось rлотать молекулы аспи

рина? Кому не делали обезболивания при помощи эфира или
новокаина! Молекулы эфира MorYT моментально проникать в HepB

ные клетки и нарушать их работу. При вдыхании этих молекул мы
теряем сознание. А молекулы новокаина, попадая в наш орrанизм,
вмешиваются в движение электрически заряженных частиц и Me

шают нервным клеткам проводить электрический сиrнал, который
нужен для HepBHoro импульса. Сиrнал о боли больше не достиrает
мозrа. Таким способом молекулы новокаина и мноrих подобных ему
веществ оказывают восстановительное и успокаивающее дей

ствие.


22




II/
...............


4,


'l


молекула окиси уzлерода
(атом 1{ислорооа связан
с атомоМ !J2леро()а)


молекула 1{ислорода
(
вa атома иислоро()а
связаны меЖО!J собой)


Вредные и полезные молекулы. Окись уrлерода
 это бы

стродействующий яд, потому что она связывается с
кровью быстрее, чем кислород, которым мы дышим
днем и ночью.


о о
.
I

........ о....... .
. . "
I I о
--- .
. .......
.
J
молеИ!Jла аспирина


о............ . .
0,,- ....... ..........
. . i .
I
. . .............
""'"
. . .
I I \
. .
. .
........
.
I
Il)
молеl(ула новОl(аина


атом вo()opo
a
"


атом lшслорода
./


........


атом уелерОда


I \


молекула эфира


Схематическое изображение молекул аспирина и HOBOKa

ина. Молекула эфира.


4*


23




2


МОЛЕКУЛЫ И СЕМЕЙСТВА МОЛЕКУЛ:
ИЗ ЧЕrо СОСТОЯТ
ОКРУЖАЮЩИЕ НАС ВЕЩЕСТВА?


2.1. Оrромный, хорошо упакованный чемодан


Возьмите медную проволоку, кусочек сахара. Каково взаи

моотношение между этой проволокой и атомами меди, между KYC

ком сахара и молекулой сахарозы?
Те, кому приходилось путешествовать, хорошо знают, что
в тщательно упакованном чемодане умещается rораздо больше вe

щей, чем в чемодане, rде вещи набросаны в беспорядке. И будь то
круrлые мячи, подобно атомам меди, или овальные мячи, как дo

вольно плоские молекулы сахарозы, их нужно очень тщательно
укладывать, чтобы плотнее заполнить чемодан. Похоже, что при

рода сама знает этот закон: так она складывает миллионы мил

лиардов атомов меди один за друrим. Этот великолепный чемодан
атомов меди мы и наблюдаем в виде маленькой медной проволо

ки. Значит, проволока
это скопление orpoMHoro числа атомов.
И кусок сахара
тоже скопление великоrо множества молекул caxa

розы, похожих, как сестры
близнецы.
Таким образом, медную проволоку или кусок сахара мы MO

жем видеть невооруженным rлазом именно блаrодаря тому, что
они состоят из orpoMHoro числа атомов и молекул. То же самое
можно сказать про все вещества, которые нас окружают: дерево,
бумаrу, ткань, металл. Коrда вы от куска сахара отщепляете Ma

ленькую КРУПИЦУ, знайте, что вы отщепляете такое orpoMHoe число
молекул, для KOToporo в нашем языке нет соответствующеrо
слова!


24




'
'>




'"
.<1!



Ii.,.,


./ ';


ii'
,r'


,#-
./}).
f


I
I
1
:,' ,




7j
././!. I



/ I
(0;.
I
,\,,:" ",



<!'"::-


,


I
I
I
L




I
I ./



.Y./


./
./


Упаковка атомов меди в медной проволоке (фраrмент):
8 атомов меди образуют куб, в центре rраней KOToporo
расположены еще 6 атомов меди и т. д. до бесконечности.


25




2.2. Алмаз н... стекло


Наверное, вам случал ось любоваться алмазом в перстне. В чем
секрет исключительной твердости этоrо камня? Он заключается
в том, что при упаковке между атомами возникает очень MHoro
связей. Если атомы уrлерода уложены так, что каждый из них
окружен четырьмя дрyrими (при этом, как в случае молекулы MeTa

на, образуется тетраэдр), то все атомы оказываются связанными
между собой. Построенное таким способом твердое вещество
и есть не что иное, как наш великолепный камень. Любое испыта

ние на твердость алмазу нипочем. И коrда вы берете в руки алмаз,
знайте, что берете одну rиrантскую молекулу. Попробуйте ero по

скрести: вы не сможете отделить ни единоrо атома!
Свойства твердоrо тела, получаемоrо при упаковке атомов,
определяются rлавным образом природой атомов и числом обра

зуемых связей. Например, заменим атом yrлерода в скелете алмаза
на атом кремния и окружим ero четырьмя атомами кислорода.
Каждый атом кислорода может образовать связь Bcero лишь с ДBY

мя атомами кремния, поэтому сооружение получается более rибкое
и менее компактное. Тут можно найти цепи разных размеров из
сuепленных атомов кремния и кислорода. В таком кремний
кисло

родном чемодане, упакованном быстро и без особой тщательности,
порядка значительно меньше, чем в алмазе. А невооруженным rла

зом мы видим... стекло! Если же такой чемодан собирать очень Meд

ленно и тщательно, мы получим... кварц.


26





;.'[




:i


1\
,:'1: l



;
:}


/ ....,
/
Чi

/ 1 1


,,
 i>o'
i%:" s-


\
\




. ,
f", н / ,
,L
.


атом уелеро()а
\ /
"




.

p)


Основной фраrмент структуры алмаза. Каждый атом уrле

рода связан с четырьмя друrими. находящимися в Bep

шинах тетраэдра.


, :,/.1\
,.r;:l.

Q"
, r' ", "

/


атом кислорода /
\.
i
"" i.
/

'............7:



,
\ / с ,
\!:....


'7m.t;>
,
I .
.!



тOM кремния


"
" ,
"",\ Ъ
'. .

,;
 ,';:0
",' '"-< . :

. о(.
 "
"


Основной фраrмент структуры стекла. Каждый атом KpeM

ния связан с четырьмя атомами кислорода, расположенны

ми в вершинах тетраэдра. Но каждый атом кислорода при
этом связан лишь с двумя атомами кремния.


27




2.3. Водородные мостики и весна


Если в качестве rлавноrо атома вместо уrлерода или кремния
взять атом кислорода, то чемодан упаковать еще труднее, так как
атом кислорода образует Bcero 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 BO

дорода, уже связанных с кислородом: каждый rакой атом BOДOpO

да может приблизиться к атому кислорода друrой 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
друrими.
В кубике льда содержится множество молекул воды, соеди

ненных этими водородными мостиками. Конечно, прочность такой
постройки невелика : на этот раз содержимое чемодана весьма
хрупко. Достаточно совсем небольшоrо наrревания, чтобы BOДO

родные мостики начали рваться. Некоторые молекулы воды Ha

чинают свободно двиrаться. А на rлаз мы наблюдаем... таяние
льда. Совсем незначительное событие в мире молекул
 разрыв He

скольких водородных мостиков
 оборачивается существенным co

бытием нашей жизни: весенним таянием cHeroB и льдов!


28




.........


молекула
воды


I во'доро'дный мостик
'



..........


с


J O
н'."

t;' .. "', "{"":
.



1


()


Лед. Каждая молекула воды окружена четырьмя друrими
блаrодаря водородным мостикам.


· ---- r


-
1


 ;-
..........
-............ о
.


................ 0-'"
I


.....
......
-о
-
 \


Схема (фраrмент) молекул воды, соединенных BOДOpOДHЫ

ми мостиками (пунктир) в структуре льда.


5
955


29




2.4. Вечная суета в мире жидких тел


в отличие от молекул воды в молекулах спирта имеется толь

ко один атом водорода, непосредственно связанный с атомом кис

лорода. Поэтому молекулы спирта MorYT образовывать BOДO

родные мостики только с двумя соседними молекулами. Еще хуже
обстоит дело с молекулами эфира, у которых на центральном aTO

ме кислорода нет атомов водорода, а значит, и нет возможности
построить мостик. Коrда число водородных мостиков мало, распо

ложение молекул становится весьма беспорядочным. Молекулы

сестры без конца движутся, меняются местами, суетятся: все BMe

сте они составляют жидкость. Спирт и эфир остаются жидкими
и тоrда, коrда вода уже замерзает.
Силы, связывающие молекулы эфира между собой, очень
слабы. Существует лишь притяжение между разноименно заря

женными частями молекул. Поэтому молекулы эфира склонны BЫ

летать из жидкости: эфир леrко испаряется. И только очень сильно
охладив молекулы, можно отнять у них столько энерrии, что они
перестанут двиrаться. Тоrда даже спирт и эфир MorYT стать
твердыми.


30




атом !Jслероdа


атом кuслоро
а


"



 ,


/
I отомы BoJopo
o
./
'"- О '\ I
........'.



/
/


.
1 вО30ро3пый мостин

.
 / .
o
.
I у.
. .
,
I
I


1


.


.
.
"'
.


Молекула метиловоrо спирта; расположение молекул Me

тиловоrо спирта в жидком состоянии (пунктиром изобра

жены водородные мостики).




"


.



(


,



I
I


\


\
\

I



.
,
.
. .
.
 /'"
о


.


.


O



.
.


. .
.. ....
, 8\


· · о
'\ , ............
.
.
"""
0\



.
.


Молекула -эфира; pac

положение молекул эфира
в жидком состоянии (это
расположение беспрерыв

но меняется). Boдopoд

ных мостиков уже нет.


5*


31




2.5. Молекулы, помоrающие узнавать время


Некоторые жидкости, хотя и не упорядочены так cтporo, как
твердые тела, все же не так беспорядочны, как те жидкости, о KO

торых мы только что rоворили. За эту двойственность их назы

вают «жидкими кристаллами». Такой жидкий кристалл образуется,
например, из молекул N
пара
метоксибензилиден
пара
бутилани

лина, или МББА, расположенных параллельно друr друry, словно
косяк отдыхающих уrрей.
Но речь идет о совершенно особом косяке рыб. Поместим жид

кий кристалл в сильное электрическое поле: сразу же молекулы

уrри приходят в движение и образуют круrовые 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 пьши 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 часовоrо механизма поочередно подается
сиrнал, электрическое поле KOToporo действует на молекулы. На
участке возбужденноrо электрода происходит помутнение, и на ци

ферблате появляется цифра. А недавно нашли способ так «закручи

ваты> косяк этих «электрических уrрей», что он становится ви

димым при освещении.


32




.
........ \ . .
.
 . \

 \ \ \
.
?
 . .
 . .
 . \
\
 \
атом кuслоро3а .
 . r
 . .
. , .
\ \ \
. .
 .
.
\ \
атом азота . . . .
 .
\ \' .
. .


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


с:::> с:::> с:::> с:::> с::::> с:::>
с::::> с:::> с:::> с::::> с:::>
с:::> с:::> с::::> с::::> с::::> с:::>
с:::> с:::> с:::> с:::> с:::>
<:::> с:::> с:::> с::::> с:::> с:::>
с:::> с:::> с:::> с:::> с:::>
с::::> с:::> с:::> с:::> с::::>
с:::> с:::> с:::> с::::> с:::>
с:::> с::::> с:::> с:::> с:::>
с:::> с:::> с:::> с:::> с:::>
с:::> с:::> с:::> с::::> с::::>
с:::> с:::> с:::> с:::> с:::>


tJ
О



c:::>








 tJ


 о

10
 'о
t:/
 r--.. tJ
........ "-......:> с::;::>


Молекулы МББА в жид

ком кристалле напомина

ют косяк уrрей. Такой
кристалл прозрачен.


Те же молекулы в сильном
электрическом поле обра

зуют вихри, среда становится
непрозрачной.


пр озрачный
элеитрод
6 форме
цифры 5


!fjiJil
:f :
;::y


==- == -=:: == -::::... -::::...--=.... 00:

--=
E
=-=E = =
=

 3
 скрученные
::=:=.
.......:---::: 0000000 0 00 ::..
=-=
 молекилы



 0000000 o-=-=:-
 =- il


Вот так на циферблате появляется цифра 5.


зз




2.6. Молекулы чистоты


Намылим руки. Чем объяснить леrкость, с которой мыло yдa

ляет rрязь? OrBeT нам может дать молекула стеариновой кислоты.
Каждая молекула представляет собой длинную цепь атомов уrле

рода и водорода и «rоловку» с двумя атомами кислорода. Если He

сколько таких молекул находится в присутствии БолыlIrоo числа
молекул воды (коrда мы опускаем мыло в воду), молекулы кис

лоты rруппируются и образуют маленькие шарики, в которых они
располаrаются rоловками наружу. rоловки окружены довольно бес

порядочно движущимися молекулами воды.
Коrда появляются посторонние молекулы, например молекулы
частиц rрязи на руках, они захватываются шариками молекул CTea

риновой кислоты. В самом деле, если посторонняя молекула opra

ническая, ее уrлеродный остов находит уютное местечко среди
уrлеродных цепей молекул мыла. Так частицы rрязи растворяются
мьшом.


34




\ . . . . i
'/ \1 \1 \1 '/ \1 \1 '/
. . . . . " /-, . .У
........./'/ " ......... .......... ,
« . . . .
 - . . .
/\ /\ /\ /\ j\ 1\ /\ /\ '1
. . . . . . . . · l/
aТnOMЫ 1<UСЛОрО а


Молекула стеариновой кислоты. Ее «позвоночник» образо

ван только атомами yr лер ода, которые связаны с внешней
стороны с атомами водорода. rоловка этой молекулы co

стоит из двух атомов кислорода и атома водорода. В MЫ

ле -этот атом водорода замещен, например, атомом
натрия.


(o
fL О

 (07
\0

r: \
/

O
J (:

:p:HHиe мол,кулы
°/
JO )

 Ь"""'\
-.../


""'"" /'
(O
\C О)
O
\


\...0 о >
\... >
1...


Мыло. Здесь мы видим длинные молекулы стеариновой
кислоты с rоловками, направленными наружу, и молекулы
воды в виде rалочек. Шарики мыла без труда «растворяют»
посторонние молекулы.


35




2.7. Каучук, найлон и дерево


Молекулы полимеров еще более длинные, чем молекулы
МББА или стеариновой кислоты. В них атомы и связи выстраи

ваются в ряд и образуют столь длинные цепи, что их иноrда мож

но видеть иневооруженным rлазом. Например, в молекуле
полиизопрена один и тот же фраrмент 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 пы

тайтесь 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 замеча

тельные свойства каучука, который не ломается и вследствие своей
эластичности самопроизвольно принимает первоначальную форму.
Человек сумел создать MHoro разных молекул полимеров, pa

нее не существовавших в природе. Сцепляясь между собой, эти MO

лекулы образуют материалы, которые сопровождают нас в повсеk
невной 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 уrлеродных 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 дpeBHero комода, перенесенная силой нашеrо воображения
на уровень ее мельчайших составных частей!


36




.
\


.
"
. ==== .


.
"-
.


. ==== .
"-
.


.
"-


.


.
""
. .





.


.


Уrлеродный скелет молекулыI полиизопрена (этот фраrмент
повторяется бесконечное число раз).


Молекула полиизопрена, свернутая в клубок.


атом кислорода
Ь
11


'...


.
"
.


.
""
.


.
"
\


.
"-.
.


.
"-.
.


атом азота
\
o


.,
.


,
,


.
11
Q...
атом кислорода


атом азота


Скелет молекулы найлона состоит в основном из атомов
уrлерода; кроме Toro, там имеются атомы азота и кис

лорода.


о
/


о


.

o
 .


о
"
.
\


о
о
 / . ........ /
.
о · / ...............
./ .............
 / ............. о
. о
.
"
ь


о


Скелет молекулы целлюлозы состоит из атомов уrлерода
и кислорода.


6
955


37




2.8. Воздух, которым МЫ дышим


Как правило, наиболее простым и молекулами являются те,
между которыми существуют самые слабые связи, т. е. никаких хи

мических связей, никаких водородных мостиков и даже никакоrо
притяжения между электрическими зарядами противоположноrо
знака, которые моrли бы нести две молекулы. Такие молекулы
сре

ди них молекула азота (два атома азота, связанные тройной
связью) и молекула кислорода (два атома кислорода, связанные
двойной связью)
 вообще нельзя упаковать. Они остаются на боль

шом удалении друr от друrа и образуют пар или rаз.
Воздух, которым дышат обитатели Земли,
это смесь, в KOTO

рой на три молекулы азота приходится одна молекула кислорода.
Изредка попадаются более редкие атомы, например атомы aproHa.
В противоположность твердым телам и жидкостям, raзы 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, переме

щаясь с большой скоростью.


38




молекула азота
(ава атома азота)


(J:)


8


молеК9ла кислорода
(ава атома кислоро()а)








атом apZOHa


Молекулы. из которых состоит воздух.


8


Схематическое изображение расположения молекул в воз

духе. которым мы дышим.


6*


39


'"ii


о


8




s


ЗАСТЫВШИЕ ВОЛНЫ
(ЭЛЕКТРОНЫ ВНУТРИ АТОМА)


3.1. Застьmшая волна электрона

ключ к индивидуальности атома


Обратимся теперь к природе атома. Ero можно представить ce

бе в виде мясистоrо плода: если разрезать мякоть, то в центре мы
увидим ядро. Хотя ядро очень мало (одна стотысячная диа

метра атома), оно rораздо тяжелее, чем мякоть. И все же имен

но эта удивительная мякоть определяет почти все свойства атома.
«Мякоть» состоит из электронов. В окружающем нас мире нет
ничеrо, что мы моrли бы сравнить с электроном, потому что он
двулик. Иноrда электрон ведет себя как маленькая частица, KOTO

рая быстро движется через весь атом
плод, проходя через опреде

ленные места чаще, чем через друrие. А иноrда, как показал фран

цузский физик де Бройль, электрон ведет себя
 и именно так мы
будем ero здесь представлять
 как волна, но волна очень своеоб

разная, в некоторой степени застывшая. Возьмем веревку и
будем встряхивать ее за один конец. Если в какой
то момент cдe

лать фотоrрафию веревки, то на ней можно будет увидеть волну,
распространяющуюся в одном направлении
 вдоль веревки. Вол

на состоит из rребня (на рисунке синий) и впадины (rолубая).
Морские волны образуются и распространяются по поверхности
в двух rоризонтальных направлениях. Амплитуда волны в данный
момент
rребень, впадина или зона покоя
измеряется по вертика

ли. А вот «застывшая электронная волна» имеет три измерения,
и ее описывают, изображая объем, в котором находится волна. Мы
увидим, что эти объемы MorYT принимать самые разнообразные
формы. А для Toro чтобы различать rребни и впадины, потребова

лось бы четвертое измерение. rораздо проще окрасить волну: rpe

бень синим, а впадину
rолубым.
И еще одна особенность: в противоположность морским BO

лнам, воЛна электрона никуда не бежит. Это
застывшая волна,
окаменевшее колебание. Форма волны, которая является результа

том TOHKoro равновесия естественных сил внутри атома, остается
неизменной, стационарной.
Эти застывшие электронные волны хранят ключ к индиви

дуальности атомов: форма волн определяет возможные связи
с друrими атомами, и своими rребнями и впадинами они дают как
бы инструкции атомам во время реакции.


40




Плоская одномерная волна (например, веревка), колебание
распространяется по rоризонтали. По вертикали измеряет

ся амплитуда волны.


zpe6eu,,-






7


пОIfОЯ



 ............analJuHa


Двумерная волна (морская волна), колебания распростра

няются в дв:ух направлениях по rоризонтали. И в этом
случае амплитуда волны измеряется по вертикали.


41




3.2. Волны в форме шара


Самые простые волны имеют форму шара. На определенном
расстоянии от центральноrо ядра амплитуда такой волны одинакова
в любом направлении. Шарообразная волна может состоять только
из rребня или из серии rpебней и впадин, сменяющих друr друrа
по ходу образования волны от центра к периферии.
у атома водорода один электрон, и этот единственный электрон
занимает одну шарообразную волну, состоящую только из rребня.
Третий электрон в атоме лития
 внешний
 представляет собой
как бы кожуру атома
плода и тоже находится в шарообразной
волне. Но у этой волны кроме rребня есть и впадина. У атома
натрия внешний одиннадцатый электрон также образует волну
шар,
только уже двойную, в которой rребни 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 MorYT образовываться, и их
направления. В приведенных выше примерах все три атома MorYT
«не задумываться» о направлении сближения с друrими атомами:
блаrодаря шаровой форме их волн ДЛЯ них все направления хороши.


42




А


я
ро

.


?

 ереоень


зона поиоя



.............. ере6ень


в


.


впa
иHa


зона покоя



..

 ереоень


в


· впааина
...........

 zpe6eHb


Шарообразные волны в разрезе. Эти застывшие волны
различаются числом застывших rребней и впадин (А
 для
единственноrо электрона атома водорода; Б
для TpeTьe

ro электрона атома лития; В
 для одиннадцатоrо элек

трона атома натрия).


43




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 друrие типы застывших волн. Первую возможность
предоставляют волны в виде объемных восьмерок, составленных
из двух пузырей: с одной стороны такой волны пузырь напол

нен, с друrой
пуст. А между ними располаrается зона покоя,
rде как раз помещается ядро. Волна
восьмерка
ценное изобрете

ние aToMHoro мира
 не имеет аналоrий в морях нашей планеты.
Электроны в атоме MorYT образовывать одновременно до трех BOCЬ

мерок: восток
 запад, север
 юr, верх
 низ.
Таким образом, каждая волна
восьмерка имеет свое излюблен

ное направление, в котором ориентированы ее rpебень и впадина.
И именно в этом направлении с помощью такой волны MorYT
образовываться связи с друrими атомами. Следует отметить, что
атомы уrлерода, азота и кислорода кроме шарообразных волн ис

пользуют три волны
восьмерки.
Еще удивительнее волна в виде цветка с четырьмя лепестками:
два лепестка полные, а два друrих
 пустые. Существуют четыре ти

па таких волн, которые отличаются друr от друrа только своим
направлением в пространстве. В этом семействе есть еще пятая
волна, форма которой имеет интересную особенность : цeH

тральная часть этой волны напоминает катушку. Четырехлепест

ковые волны часто встречаются в атомах таких металлов, как
хром, железо, никель и друrие. Их rребни, направленные в разные
стороны, дают возможность этим атомам окружить себя большим
числом атомов. Ведь для Toro чтобы образовать четыре связи
в одной плоскости, достаточно Bcero лишь одной четырехлепестко

вой волны.


44




направление, преапочтu
 I
тельное iJля 06раюванuя"
связи



 ере6ень


яJро
.
 зона покоя


.



 впаОина


t


Волна
восьмерка дает возможность образования связей по
оси rребень
впадина. Атомы уrлерода, азота и кислорода
используют три волны TaKoro типа.


.


.


.


.


Четыре типа волны
четырехлистника и волна
катушка.


45




3.4. Электронная пара


Атомы обладают разным числом электронов. У caMoro малень

Koro атома
 водорода
 Bcero 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 KOTOpO

ro должен точно уравновесить отрицательный заряд всех электро

нов атома.
Два электрона (но не больше) MorYT соединиться в пару, чтобы
образовать и заселить общую волну. Однако вовсе не обязательно,
что пару MorYT составить два любых, взятых наобум электрона.
Каждый электрон имеет особое сокровенное свойство, нечто такое,
что должно найти в партнере по паре свою противоположность.
Для Toro 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, тоrда как у атома rелия в очень похожем шаре
умещается пара электронов. В более сложных атомах электронные
пары заселяют и друrие типы волн. Заполнение этих волн происхо

дит 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 иrрают.
Атомы с заполненными слоями особенно устойчивы. А два aTO

ма с одинаковым числом электронов во внешнем слое имеют очень
похожие свойства. Именно это мы наблюдаем в случае атомов ли

тия И натрия. И как раз в этом заключается смысл классификации
атомов, разработанной Д. И. Менделеевым.


46




f


1 1


атом BoJopoaa
( электрон
одиночка)


атом еелия (пара электронов)


t!


Н

; bsx


tj
tl t

t
 t



Заполнение атома электронами по слоям.


47




3.5. Встреча дВух волн: удобная
и неудобная волны


Коrда два атома соединяются между собой, чтобы образовать
молекулу или фраrмент молекулы, их волны встречаются.
Эта встреча двух волн, принадлежащих разным атомам, и ле

жиr в основе всей химии. Предположим, что два rpебня сближают

ся настолько, что перекрывают друr друrа. В результате образуют

ся две новые волны, охватывающие оба атома. При этом в первой
вновь образовавшейся волне два rpебня в буквальном смысле сло

ва сливаются: новая волна образует один rребень там, [де раньше
бьшо два. Новая молекулярная волна очень выrодна для электро

нов, это
 удобная волна. В самом деле, занимающий ее электрон
становится устойчивым, блаrодаря тому что теперь он внекотором
роде принадлежит одновременно обоим атомам.
Но rope тем электронам, которым приходится занимать вторую
вновь образовавшуюся волну! В этой неудобной волне при встрече
один из rpебней буквально выталкивается друrим во впадину.
И новая молекулярная волна оказьmается перерезанной зоной по

коя, по разные стороны от которой находится rpебень 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 пере

rиб волны
 зона покоя
 находится как раз между ядрами, а именно
в том месте, rде должна была бы образоваться связь. Все это дe

лает волну очень мало привлекательной для электронов, которые
по мере возможности и избеrают попадать в нее.
Образование этих двух типов волн
удобной И неудобной
мож

но сопоставить с тем, что мы наблюдаем, бросая в озеро камни
один за друrим: концентрические волны BOKpyr точки попадания
иноr да увеличиваются, а иноr да разрушаются.


48




...


...


zpe6eHb '-........


зона покоя
\


./' впааuна


не9
о6ная


9dОЬная


Встреча двух rpебней приводит к образованиlO удобной
и неудобной волн. Неудобной для связи волной является
та, в которой rpебень и впадина разделены зоной покоя,
так как эта зона расположена между двумя атомами.


49




З.6. Чем скрепляются межатомные связи?


Сближение атомов, при котором происходит перекрывание их
волн, оказывается особенно выrодным в том случае, коrда у каждоrо
атома есть одинокий электрон. Тоrда в удобной молекулярной волне,
rде каждый электрон чувствует себя rораздо лучше, чем в своей aTOM

ной волне, может образоваться электронная пара. Например, в моле

куле водорода соединяются в пару одиночные электроны атомов
водорода. Застывшая волна этой пары растяrивается от одноrо ядра
до друrоrо. Так образуется химическая связь между двумя атомами:
электроны служат цементом, который удерживает атомы вместе.
Мысль о том, что связь между атомами обеспечивается элек

тронными парами, принадлежит американскому химику Джилберту
Льюису. Она является фундаментальным понятием в химии.
Однако в том случае, коrда электроны попадают внеудобную
волну, образование молекулы затрудняется. При сближении двух
атомов rелия, каждый из которых имеет пару электронов, молеку

лярные волны должны быть образованы четырьмя электронами.
Первая пара моrла бы занять удобную волну наподобие той, что
образуется в молекуле водорода. Но зато вторая пара вынуждена
бьта бы занять неудобную волну. Эти два электрона оказались бы
такими несча("lНЫМИ, что молекула не смоrла бы выжить. Поэтому
атомы rелия упорно стараются избеrать дрyr дрyrа.


50




электронная


nара\
1!



 наоьная волна


в молекуле водорода связь между атомами осуществляет
электронная пара, занимающая удобную молекулярную
волну.


зона покоя


11



 не!lJоt5ная
волна



.тpo\




 !JJОDная
волна


Неизбежное попадание одной из двух электронных пар
в неудобную волну (наверху) препятствует образованию
молекулы rелия.


51




З.7. Волны в форме лепестков


Итак, удобные волны, занятые электронной парой, обеспечи

вают устойчивость связей между атомами. Эти волны тем удобнее,
чем точнее направлены дрyr к друrу rpебни обоих атомов и чем
больше они перекрываются. Для Toro чтобы облеrчить перекрыва

ние, атом может смешать все свои волны и из этой смеси приrото

вить новые волны, которые будут специально направлены к coceд

ним атомам. Волны TaKoro типа открыты американским ученым
Лайнусом Полинrом.
Так, смешав три волны
восьмерки с волной
шаром, атом уrле

рода создает из них четыре rибридные волны
лепестка, направ

ленные в четыре разные стороны. Против каждоrо rребня
лепестка
имеется маленькая впадинка. Если рядом находятся четыре атома
водорода со своими волнами
шарами, MorYT образоваться четыре
удобные связывающие волны. Связь атома уrлерода с каждым из
атомов водорода обеспечивается электронными парами, которые
образуются из четырех электронов атома уrлерода и четырех элек

тронов, внесенных атомами водорода. Получающаяся при этом
молекула метана, как мы уже знаем, имеет форму тетраэдра. Эта
способность атома уrлерода к образованию четырех связей, распо

ложенных в пространстве в виде тетраэдра, бьша открыта сто лет
назад rолландским ученым Вант
rоффом и французским химиком
Ле Белем. Именно этой способностью объясняется существование
левых и правых молекул; эта способность лежит в основе одноrо
из разделов химии, называемоrо стереохимией.
у некоторых атомов, например атомов азота и кислорода,
в одной или нескольких волнах
лепестках уже имеется rотовая
электронная пара; такую пару называют «изолированной», или
«свободной». Поэтому способность таких атомов образовывать
связи с друrими атомами (знаменитое химическое понятие валент

ности) меньше, чем у атома уrлерода: кислород может образовы

вать лишь две связи, а азот
 три.


52




zpe6eHb


.




 я?Jро



 впаОина


Четыре волны
лепестка атома уrлерода. Справа
деталь
(один лепесток) такой волны.



 атом водорода
с волной
шароМ


атом

 водорода


!


элехтронная пара



и


!JОООНQЯ волна



с


"'"'\


.


!
!


.


!


!


н


t!
t!


t


t


Образование молекулы метана: каждый из четырех aTO

мов водорода отдает свой электрон на образование пар
с четырьмя электронами уrлерода, находящимися в вол

нах
лепестках.


!
t tl t!
t t t t и t..-...
"" t , ""
 ....... t
!Jzлероа , а;ют , хuслород ,


Число неспаренных одиноких электронов, которые MorYT
войти в волны
лепестки (в уrлероде
четыре, в азоте
три
и в кислороде
 два), определяет «связывающую способ

носты) атомов (для уrлерода
4, для кислорода
2 и для
азота
 3). Большие стрелки показывают направления, в KO

торых MoryT образовываться связи.


53




3.8. Двойная связь


Иноrда атом уrлерода отдает две или три свои связи KaKOMY

нибудь одному атому. В этом случае rоворят о двойных или
тройных связях, которые изображают на рисунке соответственно
двумя или тремя черточками.
В молекуле этилена два атома уrлерода связаны между собой
двумя связями. Поэтому у каждоrо из них три соседа: два атома
водорода и друrой атом уrлерода. Чтобы образовать эти три связи
атом уrлерода использует две (из трех) волны
восьмерки и волну

шар и создает три волны
лепестка в плоскости молекулы. И еще
у каждоrо атома уrлерода остается по одной нетронутой волне

восьмерке, направленной перпендикулярно плоскости молекулы.
Оба атома уrлерода 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 HeTpo

нутыми. При этом наверху сливаются два rребня, а внизу
две впа

дины *. Новая молекулярная волна простирается, как мантия, CBep

ху и снизу плоскости, в которой расположены атомы. Эту волну
занимает вторая пара электронов. На рисунке эта пара помещена
в rребень волны, но точно так же она может находиться и во впа

дине. Возможен и такой вариант, коrда один из партнеров зани

мает rребень, а друrой
впадину. Атомы уrлерода прочно связы

ваются такой связью; расстояние между ними короче, чем между
атомами, связанными простой (одинарной) связью.
Двойная связь блаrодаря своей силе придает молекуле опреде

ленную прочность. Но в то же время
 вот вам мноrоликость при

роды
 она делает молекулу более реакционноспособной : оба атома
уrлерода MorYT 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.


54






"
 '"

'o


r:'


,,,,
,, 1'"
\
'
 ;,'.r
 ]


:"
. r
/


,


атом
водорода


атом уzлеро()а


Молекула этилена (ВИД сверху на плоскость, в которой
расположены атомы).


. ...............................

./
/'
внутренняя
волна


.


внешняя волна
\


+1
.\-


+



........""""


.




.


Две удобные волны двойной связи (ВИД сбоку).


55




'=


ПУТЕШЕСТВИЕ ПО rOPAM И ДОЛИНАМ
ИЛИ КАК РЕАrиРУют МОЛЕКУЛЫ?


4.1. Будничная жизнь молекулы


Как в природе (в воздухе, в море и на земле), так и в колбе хи

мика молекула в любой момент может оказаться вовлеченной
в реакцию. Контакт с друrой молекулой может привести к образо

ванию одной или двух новых молекул путем создания новых связей
между атомами сталкивающихся молекул. Иноrда эта встреча слу

жит лишь источником энерrии, необходимой для Toro, чтобы пер

вая молекула сама перераспределила свои связи.
В самом деле, для Toro чтобы молекула вступила в реакцию,
ей почти всеrда нужна энерrия, так же как необходима энерrия для
отопления дома или для приведения в движение автомобиля. Эта
энерrия дает возможность молекуле (или нескольким молекулам)
преодолеть самый трудный участок пути ее превращения в про

дукты реакции. Молекула подобна велосипедисту
rонщику, KO

торый начинает свою дистанцию в долине (rде молекула находится
в состоянии покоя), затем с усилием поднимается на холм, преодо

левает ero и спускается к месту назначения.
Чтобы завершить аналоrию, нужно еще представить себе, что
на пути к финишу велосипедист непрерывно преображается, так
что rонщик, преодолевший дистанцию, будет отличаться от cтapTO

вавшеrо! Ведь в результате каждой реакции происходит радикаль

ное изменение расположения атомов и перестраивается скелет
молекулы.
Химики классифицируют реакции по типам изменения aTOMHO

ro скелета реаrирующих молекул. Но на самом деле тип и леrкость
протекания реакции зависят от судьбы электронных пар. Иноrда
электронные пары остаются в целости и сохранности, просто сама
волна меняет форму. Иноrда пара разрывается, и каждый из элек

тронов
одиночек занимает свою собственную волну. А иноrда из
таких одиноких электронов образуется новая пара.


56




CJ


Молекула похожа на велосипедиста
rонщика. которому
нужно преодолеть холм (образ энерrии, необходимой для
реакции) да, кроме Toro, еще и преобразиться по дороrе!
То же самое можно сказать и о реакции между нескольки

ми молекулами.


57




4.2. ЗОНТИК, софа и ванна


Наиболее простыми реакциями являются те, в которых проис

ходит изменение одной
единственной молекулы. Иноrда это Bcero
лишь мимолетное превращение. миr
 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 четы

рех вершин тетраэдра, в центре KOToporo расположен атом азота.
К четвертой вершине направлена четвертая волна
лепесток, заня

тая, как мы видели, свободной парой электронов. По виду молеку

ла аммиака похожа на зонтик, который может раскрываться и BЫ

ворачиваться. Это очень леrкое превращение, и молекула аммиака
выворачивает свой зонтик почти десять миллиардов раз в секунду.
Такое выворачивание сопровождается изменением направления вол

ны, несущей свободную электронную пару атома азота, но сама
пара при этом остается нетронутой.
Скелет молекулы циклоrексана представляет собой кольцо из
шести атомов yrлерода. Эти атомы связаны между собой простой
связью, причем на каждую связь приходится по одной паре элек

тронов. Коrда молекула циклоrексана покоится, она похожа на
кресло, отличающееся большой rибкостью. Стоит только дать MO

лекуле HeMHoro энерrии, как кресло тут же деформируется. Подобно
KaKOMY
TO изменчивому существу, оно превращается сначала в софу,
а потом в ванну. И при всех этих превращениях электронные пары,
которые обеспечивают связи между атомами yrлерода, переме

щаются, но не разрываются. Ожерелье электронов, как жемчужное
ожерелье, меняет только свою форму.


58




<"


..........
 ......атоМ водорооа
//'\
 :\
.1
:)'

,'['''t---\ '\
-> 1;
-,...v


атом а.30та


в молекуле аммиака три атома водорода и свободная па

ра электронов занимают четыре вершины тетраэдра,
в центре KOToporo находится атом азота.


свооодная
пара i .
/ \
.. ,
I \. \. ..... .....
/
/
..


Коrда молекула
зонтик аммиака выворачивается, свобод

ная пара 'Электронов не изменяется.


""'-

,I. Ч ,.
 '}I

, Н \ t'

J

',:. j J.
IЧ)('СJЮ ..... 'nф/1 ..... иП/ll1O


Превращения скелета из шести атомов уrлерода в молеку

ле циклоrексана: электронные пары остаются без измене

ния.


59




4.3. Одна пара «выrоняет» друrую


А теперь приrлядимся 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 хлористоrо 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. Моле

кулы сближаются и сцепляются, подобно тому как стыкуются
в космосе корабли. Во время этоrо мимолетноrо контакта атом BO

дорода 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 обед

ненная электронами молекула аммония. В этой реакции одна пара
электронов буквально вырывает водород у друrой.
Теперь возьмем молекулу из семьи метана, у которой одну из
вершин занимает атом фтора, а в трех друrих располаrаются
атомы, которые просто обозначены точками. Вот к молекуле при

ближается атом фтора с лишним электроном. Подойдя ближе, он
попытается установить связь с центральным атомом уrлерода. Но
так как все четыре связи уже заняты, одному из атомов надо уйти
из молекулы, чтобы освободить место вновь прибывшему. И тоrда
уходит тот атом фтора, который был раньше связан с уrлеродом.
Особенность этой реакции заключается в том, что атом
захват

чик приходит с одной стороны, а тот, Koro проrнали, уходит с дpy

rой стороны. Поэтому зонтик, образуемый тремя друrими aTOMa

ми, 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 проrоняет дpy

rую. В самом деле, атакующий обоrащенный фтор несет в волне

восьмерке электронную пару, с помощью которой образуется HO

вая связь, а уходящий атом фтора уносит свою пару, которая
служила ДJIЯ обеспечения связи с атомом уrлерода.


60




атом тора
.


атом во()оро'да


t



сво600ная
...............t !
электронная
пара


хлористый воооро()


аммиак


атом водоро'да
I


.


t



t!


,
,
06е
ненный аммонии. е


060zащенный хлор


я()ро


азо\а е
\'.
ее


е


I


Типичная реакция, в которой 'Электронная пара сохраняет

ся (в атоме хлора и в молекуле аммиака изображены толь

ко те волны, которые важны для реакции).


.,


т
060zащенный
атом фтора


'


9



е


-+


I u
нормальныu
атом фтора


\
нормальный
атом фтора


.Н


\


н


.


н


..


,
,
е.


,


r


,,1 u
оооzащенныu
атом фтора


е
\,


Н.


..


в реакции замещения одна электронная пара «выrоняет»
друrую.


61




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 уrлерода в молекуле этилена.
О ней мы уже rоворили выше. Не стоит делить пару, удаляя друr
от друrа атомы уrлерода, ведь тоrда придется бороться сразу
с двумя парами
внешней и внутренней! Лучше Bcero повернуть
плоскость, в которой расположены три правых атома, относитель

но плоскости, в которой находятся три левых атома. Скрутив Ta

ким образом молекулу, мы разделяем волны
восьмерки обоих aTO

мов уrлерода. Образованная из них удобная волна в результате
этоrо разрушается, так как ни rребни, ни впадины уже не MorYT
объединиться, а внутренняя волна при этом не страдает.
Коrда уrол поворота достиrнет 90 [радусов, происходит пол

ный разрыв пары: обе половинки молекулы удерживаются только
одной электронной парой. Поэтому такая скрученная молекула
очень неустойчива, и вращение будет продолжаться до тех пор, по

ка два правых атома водорода не изменят свое положение на про

тивоположное. Тоrда 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 энерrии путем наrревания
по крайней мере до 500 0 с. Чтобы удостовериться, что реакция дей

ствительно происходит, химик заранее метит молекулу двумя aTO

мами дейтерия, которые во всем похожи на атомы водорода:
и своими волнами, и единственным электроном,
 но у которых
ядра тяжелее. Блаrодаря этим «изотопным» атомам дейтерия,
можно отличить получившуюся после вращения молекулу от
исходной.


62




внутренняя пара
t электронов
/!
.


 . !/
.



\
.


Разрыв внешней электронной пары при скручивании моле

кулы этилена.


). { /
>.
[
.

.


.


"
............... . =====
/
rI


«Изотопные» атомы дейтерия, изображенные rолубыми
точками, помоrают распознать реакцию скручивания MO

лекулы.


63


/




'''\.
.




4.5. Союз двух... и вечный треуrольник


Вообше rоворя, разделение электронной пары, будь то BpeMeH

ное или окончательное, дело еще более трудное, чем разрыв внеш

ней электронной пары молекулы этилена. Разводы «по
молекуляр

ному» редки. Можно сказать, что молекулярными реакциями
управляет заповедь: «Не разбивай электронных пар». В мире моле

кул она соблюдается строже десяти библейских заповедей.
Самыми прочными, противящимися разрыву являются пары,
скрепляющие простой связью атомы уrлерода и водорода или два
атома уrлерода. Как раз такие связи между атомами уrлерода
и водорода сушествуют в молекуле метана. В самом деле. элек

тронная пара, обеспечивающая каждую связь, прочно закреплена
в очень удобной волне, и потому пребывает в состоянии полноrо
счастья. Путем сильноrо наrревания мы добьемся cBoero, но, вe

роятнее Bcero, при этом будет разорвана вся молекула. А для Toro
чтобы достичь цели мяrким обращением, нужно использовать Becь

ма изощренные внешние средства.
Разрыв электронной пары чаще Bcero ПРОИСХОдИТ, как и у лю

дей, коrда ее покой нарушает третий, одинокий электрон. Если Ta

кой электрон, принадлежащий друrой молекуле, оказывается по

близости от нашей пары, события развиваются стремительно.
Одиночка
rурман стремится занять в паре место электрона с таким
же сокровенным свойством, как и у Hero. Если одиночке удается
вытеснить законный электрон (а так часто случается), то в aTaKO

ванной молекуле связь рвется, а в напавшей молекуле образуется
новая связь. Например, атом хлора может отнять у молекулы Me

тана атом водорода и образовать молекулу хлористоrо водорода.
Однако следует заметить, что вместо первой пары электронов
появляется друrая пара
на второй молекуле,
И поэтому можно
считать, что просто первая электронная пара поменялась местами
с электроном
одиночкой (ведь у электронов нет собственноrо лица,
и отличить их один от друrоrо невозможно). А значит, заповедь не
нарушена.


64




t!


f


атом во()оро()а
\

t


t



хлор


t!


M
тall


I


атом вo
opoOa
/


t!


t!


t


хлористовоvоро
ная кислота


t



t!


метил


ОДИНОЧНЫЙ электрон атома хлора отрывает электрон от
пары, осуществляющей связь уrлерода с водородом. Так,
атом хлора отрывает атом водорода.


65




4.6. Электрохимия


Электрохимия
 это раздел химии, разработанный анrлийским
ученым Фарадеем. Метод электрохимии дает возможность обеднять
или обоrащать молекулу электронами. Подведем молекулу к элек

троду
 электрически заряженной металлической пластинке. Если
электрод страдает электронным rолоданием (положительно заря

жен), он захочет отнять электрон у молекулы, а если он переполнен
электронами (заряжен отрицательно), то захочет отдать их избы

ток молекуле.
В молекуле ацетона, как и в молекуле метана, имеются связи,
rде электронные пары устроились основательно. Это особенно OT

носится к связям между атомами уrлерода.
Подведем молекулу ацетона к электроду с недостатком элек

тронов: один электрон покинет молекулу. Если при этом затрачено
достаточно большое количество энерrии, этим электроном может
оказаться один из партнеров пары, обеспечивающей уrлерод
уrле

родную связь. Так как в удобной волне остался только один элек

трон, связь может довольно леrко разорваться, и Tor да образуются
ацильная частица с электроном
одиночкой и обедненная электрона

ми метильная частица..
В друrих молекулах удается добиться разрыва пары, добавляя
третий электрон с электрода с избытком электронов. Этот элек

трон проникает в неудобную волну, при надлежащую связи, о KOTO

рой идет речь. Так же как в описанном ранее случае с двумя aTOMa

ми rелия, присутствие электрона
одиночки в неудобной волне
разрушит прочность связи: блаrополучная пара распадется и связь
разорвется.
Поэтому электрохимия представляет собой мощный промыш

ленный метод создания новых молекул: их получают, разделяя He

которые молекулы на части, из которых потом составляют подхо

дящие композиции. В частности, электрохимический синтез служит
для получения уже известных нам молекул найлона.


· Описанная реакция Bcero лишь модель, реально она происхо

ДИТ с молекулами, подобными молекуле ацетона.


66




]

 / . t
.

8 " волна Оез
\ электрона
. .


атом IНJСJ/орода


C . ":, . r: . ,'-
 . ' . " . ;'\
. ..
 "
о>. . <
\
, . .
\,: /..




. /.
""1\
. · ацетон


аЦUЛ


''-, \
< ,
 ;


_I....

(:J[ :


Молекула ацетона.


элелтРОh


r


t



.
.
/1
. .


положительно
заряженный
электро()


......... oJUHOKUU электрон


.
. ...............
/1
. . ООедненный метил


Потеряв ПОД действием электрода один из своих электро

нов, yrлерод
уrлеродная связь разрывается, и образуются
две частицы: ацильная и обедненная метильная.


67




4.7. ФОТОХИМИЯ


Каждый из вас замечал, как желтеют листы rазетной бумаm,
если долrо лежат на свету, и как выцветают чернила от длительно

ro действия солнечных лучей. Таким способом дают о себе знать
реакции, вызванные CBeTOM,
TaK называемые фотохимические peaK

ции. Свет заставляет электроны вести себя иначе, чем обычно.
Прежде Bcero он очень быстро поставляет молекуле энерrию, Tpe

буемую для разделения пары, действуя на электроны, как удар KY

лака. В одно мrновение один из электронов выбрасывается им
в неудобную волну, расположенную в друrой части молекулы.
Возьмем еще раз молекулу ацетона и осветим ее в течение KO

pOTKoro времени. Один из электронов уrлерод
уrлеродНОЙ связи OT

брасывается в сторону уrлерод
кислородной связи. И на этот раз
уrлерод
уrлеРОдНая связь, осуществляемая одним только электро

ном, разрывается.
С энерrетической точки зрения протекание такой фотохимичес

кой реакции просто поразительно. Свет чудесным образом меняет
характер дороm, по которой должна пройти молекула. Вместо TO

ro чтобы подниматься на почти неприступный холм, молекула
пере носится светом на высокую ropy и оказывается на совершенно
друrой дороrе. Эта дороrа отлоrо спускается вниз, и молекула, KO

торую мы представляем в виде велосипедиста
rонщика, без труда
достиrает конечной цели
 превращается в продукт реакции. Таким
образом, солнце или искусственный свет действуют как природная
«канатная дороrа», которая переносит молекулы из долины на Bep

шины самых высоких rop; спускаясь с них, молекулы MoryT леrко
преображаться.


68




не!J
ооная {
волна


.
2/
.
\\.


влаОина
/


п


зона
ЛОlfОSl


ef l
" !


..


/
k)


. 11


Свет перебрасывает электрон из удобной волны, осущест

вляющей уrлерод
yrлеродную связь, в неудобную волну
в области уrлерод
кислородной связи (с зоной покоя Me

жду этими атомами). В результате этоrо уrлерод
yrлерод

пая связь, удерживаемая Bcero одним электроном, может
разорваться.


свет


-долина отправления


долина


........


Свет облеrчает превращение молекулы, перенося ее на верх
энерrетической rоры.


69




4.8. Волшебная поверхность
и таинственный катализ


Было бы идеально иметь возможность разрывать связь между
атомами, не затраrивая электронную пару, осуществляющую эту
связь. Некоторые молекулы, у которых в центре находится боль

шой атом металла, способны выполнять такую операцию. Атом
металла
например, родий, четырехкратно связанный в молекуле
хлоротрис(трифенилфосфин)родия
 подобен мозrу проrраммирую

щеrо устройства. При приближении молекулы водорода этот мозr
использует все свои мноrочисленные волны
лепестки для Toro,
чтобы разорвать молекулу водорода. Тоrда каждый из обоих aTO

мов водорода образует новую связь с атомом родия, который в pe

зультате оказывается связанным шестикратно. Новая молекула хи

мически очень активна, потому что атому родия хочется поскорее
избавиться or двух лишних соседей: атомы водорода можно леrко
передать орrанической молекуле, чтобы «rидрировать» ее. В про

мышленности этот процесс позволяет улучшать качество HeKO

торых пищевых масел.
Теперь сложим из атомов железа такую частицу, которая, еще
не будучи видимой невооруженным rлазом, уже содержит множе

ство тысяч атомов. На поверхности этой микроскопической час

тицы металла атомы железа уложеныI в определенном порядке. По

местим эту частицу в атмосферу азота, состоящеrо из молекул
азота, которые беспорядочно перемещаются с большой скоростью.
Время от времени какая
нибудь из молекул приближается к поверх

ности частицы железа и тут же оказывается ловко схваченной
и разделенной! Все три связи между атомами азота рвутся,
и каждыIй атом связывается с одним из поверхностных атомов
железа.
Если мы имеем смесь молекул азота и водорода, последние бу

дут также захватываться поверхностью (адсорбироваться) и разры

ваться. При этом атомы водорода MorYT фиксироваться на атомах
азота. Эта реакция имеет orpoMHoe промышленное значение в про

изводстве аммиака, который используется для получения моющих
веществ и удобрений. Металлическое железо является мозrом этой
реакции, ее катализатором. А вот механизм катализа пока остается
заrадкой.


70




моле/(!Jла aoJopoda

:)

 атом роi}uя
/

,



атом хлора


"
.f>'')'
(..."


.?f
"1' .
'
y '
,.,
,
"" ЯlW -
. ,. '... ..

,
\_
)
. ;.;t'"
'\


,



атом фоСфора


Разрыв молекулы водорода катализатором
 молекулой
хлоротрис(трифенилфосфин)родия. Каждый из маленьких
шестиуrольников обознач-ает фенильную rруппу, похожую
на молекулу бензола, которая одной из своих уrлеродных
вершин соединена с атомом фосфора.



E
........ -.'.:"
.


молекула азота


J


атом желе.за
/


;..
 <';
':
'
"


....,,<-'. "


]о


v -i-
...
..
 i


...............


На поверхности железа молекула азота, несмотря на ее
три внутренние связи, леrко разрывается.


71




5


ДА ИЛИ НЕТ (ОБ УДИВИТЕЛЬНОЙ
СПОСОБНОСТИ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИНИМАТЬ
«САМОСТОЯТЕЛЬНЫЕ» РЕШЕНИЯ)


5.1. Да или нет для rребня или впадины


Вид застывших электронных волн имеет не только живописную
ценность. В частности, сосуществование в волне
восьмерке rpебня
и впадины в большой степени определяет форму молекул, их peaK

ЦИИ, а значит, и весь мир, который нас окружает. Большое
разнообразие в реакционной способности молекул отражает двой

ственный характер волн.
Свойства трех волн
восьмерок атома уrлерода, rлавноrо атома
орrанических молекул, связаны преимущественно с этим сосуще

ствованием. Например, зададим себе такой вопрос: MorYT ли две
волны
восьмерки, непосредственно связанные между собой
удобным образом (как во внешней волне двойной связи), образо

вать связь с волной
восьмеркой, принадлежащей третьему атому?
Следует ответить утвердительно, если эта третья волна направлена
своим rpeбнем одновременно к обеим друrим волнам. И ответ бу

дет отрицательным, если ее rребень направлен к одной волне,
а впадина
к друrой. В этом последнем случае зона покоя новой
волны расположилась бы между атомами, что сделало бы волну
неудобной и свело бы на нет блаrоприятный характер волны, обра

зующейся на друrом конце. Этот пример хорошо иллюстрирует,
насколько важна точность ориентации реаrирующих молекул для
Toro, чтобы реакция моrла произойти.
Еще один вопрос: MorYT ли две волны, соединенные цепочкой
волн
восьмерок, удачно прореаrировать, приблизившись друr
к друry, чтобы замкнуть цепь? И опять ответ будет положи

тельным или отрицательным в зависимости от числа волн в цепи,
как это хорошо видно из рисунка. Таким образом, становится по

нятным, что возможность существования или устойчивость моле

кул MorYT сильно меняться даже в ряду родственных систем. Необ

ходимость замыкания цепи волн блаrоприятным образом будет
продемонстрирована в дальнейшем.


72




.


уаО6НЙ;


\:дО6IfО


.
'
уаа»ю 1 1 уа"б н "
.
нет



a


MorYT ли две удобно связанные между собой волны
вось

мерки реаrировать с третьей? Ответ будет положительным,
если удобная ситуация сложится на обоих концах, и отри

цательным, если хотя бы с одной стороны ситуация будет
неудобной.


. .
. неуа06но 1 р ао6но 1
.
. .
нет ()а


Может ли быть успешной реакция замыкания цепи волн

восьмерок? Ответ зависит от числа волн в цепи.


73




5.2. Волны в виде лент


в молекуле бензола каждый атом уrлерода окружен только
тремя соседними атомами. Поскольку атомы водорода MorYT
образовьmать только одну простую связь, каждый атом уrлерода
в кольце должен быть соединен с одним из соседних атомов yrле

рода двойной связью. Тоrда для молекулы в целом имеются два
возможных варианта, которые представлены на рисунке и которые
были открыты немецким химиком Кекуле в 1867 r. Но молекула
бензола не решается принять одну из этих возможных форм. Такое
колебание между двумя химическими структурами, которое амери

канский химик Полинr назвал резонансом, служит фактором CTa

бильности. В действительности молекула выбирает промежуточ

ную структуру: все уrлерод
уrлеродные связи бензола имеют
одинаковую длину. Они длиннее двойной, но короче простой связи.
Особенности rеометрии молекулы бензола находят свое rлубо

кое объяснение в природе удобных волн этой молекулы, которые
устроены так же, как и волны в молекуле этилена. Прежде Bcero
с помощью волн
лепестков образуются в молекуле шесть перифе

рических уrлерод
уrлеродных связей. Затем остающиеся волны

восьмерки по одной на каждом атоме уrлерода, соприкасаясь друr
с друrом, создают еще шесть волн, которые охватывают всю моле

кулу. Так же как и при встрече двух атомных волн, образуется оди

наковое число удобных (три) и неудобных (три) волн. Проследите
за rребнями или впадинами таких удобных волн: они лентой вьют

ся BOKpyr нескольких атомов. В одной из волн rребень образует пол

ный Kpyr. В двух друrих rребень имеет меньший размер и разде

лен на два участка зоной покоя.
Первая из трех волн самая удобная. Действительно, чем боль

шую протяженность имеет rребень волны, тем она удобнее, так как
у длинных волн уменьшается число резких переходов от rребня
к впадине, сопровождающихся появлением зон покоя между aTOMa

ми уrлерода. В отличие от первой удобной волны молекулы бензола
в двух друrих волнах такой резкий переход существует. В каждой
из трех удобных волн находится электронная пара. В принципе эти
три пары MorYT сформировать три двойные связи в молекуле, Но
так же как молекула колеблется в распределении своих трех связей,
три удобные пары служат в равной степени укреплению шести уrле

род
уrлеродных связей.


74




\ I \ 1

. .==

/ , \
.
. .
. .
\ '\

.
.
\ \


Молекула бензола колеблется в выборе между этими ДBY

мя структурами.



 зона покоя
\
зона покоя

..........


.."


...,


Три удобные волны
ленты в молекуле бензола. В каждой
содержится по электронной паре.


75




5.3. Правило 2, 6, 10


Если молекула бензола так устойчива, то чем же объяснить He

устойчивость молекулы циклобутадиена, представляющей собой
правильный квадрат? Почти сто лет химики искали это вещество,
и им удалось ero выделить на очень короткое время лишь при очень
низких температурах. Однако ero можно стабилизировать атомами
металла в виде супермолекулы циклобутадиентрикарбонила желе

за, похожей на молекулы
сэндвичи, о которых мы рассказывали
выше.
Все это rоворит о том, что жизнь молекул управляется очень
тонкими законами. Исполнителями этих законов служат электроны
и их волны. Один из основных законов касается стабильности MO

лекул, он позволяет или не позволяет ансамблю атомов построить
устойчивое здание. Закон требует, чтобы электронные пары зани

мали 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 элек

тронными парами в волне
ленте только одна из них находит под

ходящую удобную волну. Вторая же должна довольствоваться вол

ной, 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 хи

мическое правило 2, 6, 10, которое rласит, что среди молекул,
атомные волны которых соприкасаются rребнями, образуя волну

ленту. устойчивы лишь те, которые имеют 2, 6, 10... электронов,
или 1, 3, 5... электронных пар!


76




'\
'\


I


.

'>.. .


'1-.:;'


#

I
,
,
.,
.з {S.J


'It "'

'I..'
_
:-


\'


.



................ .
.
.
................:./'
атом железа I .
.......

/ \ ...........
. .........
\ о


о


Молекула циклобутадиена очень неустойчива, устойчивой
она может стать только в супермолекулах, например в
циклобутадиентрикарбониле железа.


"
"
"


неноооно
I


!]()о6но


I
неудо6но


./
./


,."

,
I
,
I

 уоо6но


Неустойчивость молекулы циклобутадиена вызвана при

сутствием электронной пары в «безликой» волне
ленте,
rде удобные и неудобные свойства уравновешены.


77




5.4. Запрещенные и разрешенные реакции


Сблизим две молекулы этилена. Поскольку в них атомы уrле

рода 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 моrли бы
создать две связи между молекулами. Так получилась бы хорошо
известная молекула циклобутана. Тем не менее эта реакция не идет
даже при очень сильном наrревании.
А теперь к одной из таких же молекул этилена приблизим молеку

лу бутадиена, скелет которой содержит четыре атома уrлерода
и две двойные связи, т. е. две пары электронов в волнах
лентах. На
этот раз даже при слабом наrревании молекулы соединяются леr

ко, и образуется молекула циклоrексена с шестью атомами уrлеро

да и одной двойной связью. Эта реакция называется реакцией
Дильса
 Альдера в честь открывших ее немецких ученых. Особую
ценность она представляет для химическоrо синтеза мноrочис

ленных циклических молекул, поскольку эта реакция леrко приво

дит к образованию колец из атомов.
Несомненно, читателю покажется поразительной аналоrия, KO

торую можно провести между удавшейся реакцией образования
шестизвенноrо кольца из трех электронных пар и стабильностью
молекулы бензола, с одной стороны, и неудавшейся реакцией обра

зования цикла из четырех атомов и нестабильностью молекулы ци

клобутадиена, с друrой.


78




.




. ======= .


 .

.
этилен






.



.



 .
.



этилен


.
,
,

,
.
I


/
/
.


.........


I
;
/.


.

.


,>
цштОО!fтан


Эта реакция не может произойти : две молекулы этилена
встречаются и расходятся без изменений.


................. ...... .
.................=====.

этилен


i
/.
.
'.
.
/6!/таоиен "
. .


\

.
.
 "'


..........


" .
. \ .' /
'\\ '1
.
.
..
 / \
.
\ i
. ======.
/ \


ЦШ(ЛО2е/(сен


Эта реакция протекает леrко: при встрече молекулы этиле

на с молекулой бутадиена образуется новая молекула
циклоrексена.


79




5.5. Закон, управляющий развитием волн


Американские химики Вудворд И Хофман обратили внимание
на различие между двумя предыдущими реакциями и установили
ero причину. сравнив волны исходных веществ и волны продуктов
реакции.
Это сравнение, весьма сложное для упомянутых реакций, мы
хотим про иллюстрировать здесь на примере встречи двух молекул
водорода, которые захотели бы образовать молекулу, составлен

ную из четырех атомов водорода (такая реакция запрещена). В ис

ходных молекулах обе волны, занятые электронными парами, со
всех сторон похожи друr на друrа. Про такие волны rоворят, что
они симметричны. В противоположность этому в продукте peaK

ции правая часть одной из волн представляет собой rребень, а ле

вая
впадину, разделенные посередине зоной покоя, т. е. такая волна
антиcuмметрична.
Значит, в результате реакции изменилось бы важнейшее свой

ство удобной волны
симметрия. Такое изменение и внезапное по

явление зоны покоя, которой до этоrо не было, равноценны разры

ву электронной пары в волне. А поскольку такой разрыв
противоречит заповеди, о которой мы rоворили выше, реакция бу

дет запрещена.
Таким образом, в химических реакциях, как это показали By

дворд и Хофман, во избежание разрыва электронной пары симмет

рия удобной волны должна сохраняться.


80




.30на покоЯ


I


/
ере6ень


н


\
впааина


t!


tl


реа2енты


G
t!


лрооу/{т
реа/{ции


Реакция между двумя молекулами водорода запрещена:
сравните волны исходных молекул и удобные волны про

дукта реакции (если бы такой существовал). В исходных
peareHTax волны атомов слева и справа одинаковы (сим

метричны). Одна из волн rипотетическоrо продукта
является антисимметричной
 между ее левой и правой ча

стями расположена зона покоя.


81




5.6. Змея, кусающая себя за хвост


Если молекуле бутадиена дать дополнительную энерrию, она
может реаrировать сама с собой, и в результате замкнется цепочка
из четырех атомов уrлерода. Образуется новая молекула
молеку

ла циклобутена. Для Toro чтобы сделать это, нужно заставить
атомы водорода на концах цепи повернуться так, чтобы волны

восьмерки, принадлежащие концевым атомам уrлерода, оказались
дрyr против друrа. Тоrда они cMorYT пере крыться и образовать HO

вую удобную волну.
Вудворд и Хофман заметили, что для этой реакции возможны
два пути в зависимости от Toro, вращаются ли оба конца моле

кулы 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 rребень, а на друrом
 впадину как над плос

костью молекулы, так и под ней. Для Toro чтобы образование
уrлерод
уrлеродной связи протекало в блаrоприятной ситуации, Tpe

буется, очевидно, встреча двух rребней. А для обеспечения такой
встречи rребней на концах цепи
 что напоминает змею, кусающую
себя за хвост,
оба конца должны вращаться в одном направлении.


82




.
"-
.
. .
"-"- /
. .
I "
. .










6!jтaoueH








.


.
.... /
" /
. . .
?


. .
'" I
. .


.,


.


"
....
.
.


,
.



.


.


.


1 1
. . / .
v /
. . .
.
 ?'
.
. .
 .
. . . .


.


.===.
/ '\


.


. .
\ I
.
.
1,\ ,
.
.
. .
ЦU1{ло6утен


1
!jао6ная волна
\ I
.!\; .
/
. ===::о... .
I '\
. .


1
не!J()обная
I


волна


.


.


.


.


.


.


запреtЦенное ()ВИJКение


разрешенное dвuженuе


Замыкание молекулы бутадиена в молекулу циклобутена:
перестройка менее удобной волны
ленты в случае двух
возможных движений (при замыкании амплитуды волн
двух центральных атомов уrлерода исчезают).


83




5.7. Столкновения между молекулами
происходят по правилам бокса


Как мы уже rоворили, реаrирующая молекула подобна велоси

педисту
rонщику. Ее путь представляет собой извилистую трассу,
изобилующую поворотами. Но если все rонщики стремятся выпол

нить вираж след в след, то каждая молекула мчится по своей Tpac

се, отличной от трасс друrих 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 электрон

ную пару молекулы). Пока атом приближается, молекула продол

жает совершать свои танцевальные па: связь между атомами BOДO

рода то растяrивается, то сжимается. Если атом застиrает
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, коrда тот отступает или
уклоняется, удар rораздо менее эффективен, чем тот, который Ha

несен «в лоб», в момент сближения.
Выходит, что для результативноrо взаимодействия между MO

лекулами еще недостаточно соответствующеrо расположения элек

тронных волн; необходимо также, чтобы соблюдалось COOTBeT

ствие в расположении атомов в каждый момент, т. е. порядок
системы.


84




молекула вo
opo()a


атом dеuтерия






+-




....








растяжение


...


Реакция происходит, так как атом застает молекулу в MO

мент растяжения.


молеК9ла 80
opoda


атом дейтерия




........




...


сжатие


....


Реакция не происходит, так как атом застает молекулу
в момент сжатия.


85






....


....




5.8. Сиrналы молекул


Как же молекулы дают о себе знать? Прежде Bcero вращатель

ное движение изолированной молекулы и колебательные движения
ее атомов подчиняются строrим законам. В любой момент молеку

ла может изменить свои движения, обменявшись с внешней средой
крупицей энерrии. Это изменение выражается в виде KaKoro
To сиr

нала, который может быть зареrистрирован и который несет важ

ную информацию о молекуле.
Такой сиrнал подается также, коrда свет разбивает электронную
пару и выбрасывает один из электронов в неу добную волну. Во
время этоrо электронноrо прыжка молекула поrлощает частицу
световой энерrии; молекула и ее сестры
близнецы поrлощают при
этом cTporo определенный свет, и составленное из них вещество
покажется нашим rлазам окрашенным. Если в каждой молекуле
электрон прыrает в очень неу добную волну, вещество не окрашено;
если волна чуть поудобней, мы видим желтый или оранжевый
цвет; если же волна только HeMHoro неудобная
цвет будет
красным, зеленым или rолубым. Значит, если в тюльпане моле

кулы, поrлощающие свет, имеют очень неудобные волны, то ero
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
бесконечноrо множества молекул. И даже приходя в волнение при
виде матери, целующей ребенка, или футболиста, забивающеrо
rол, может быть, мы в душе улыбнемся, вспомнив о невидимках,
ответственных за эти действия,


86




l'


l



 у.


"

,


\
':) .. '.. . : . .


. "
.,





.



>









Желтый тюльпан (молекулы ero лепестков имеют очень
неудобные волны) и фиолетовый тюльпан (в ero лепестках
молекулы с довольно удобными волнами).


87




СЛОВАРЬ ДЛЯ ХИМИКОВ


Название в тексте


Удобная волна
Неудобная волна
Безликая волна
UПарообразная волна
Волна
восьмерка
Волна
четырехлистник
Волна
лепесток
Водородный мостик
Сокровенное свойство
Резкий переход от rребня
к впадине
Зона покоя
rребень
Впадина
Правило 2, 6, 1 О
Чемодан


Научное название


связывающая орбиталь
разрыхляющая орбиталь
несвязывающая орбиталь
s
орбиталь
р
орбиталь
d
орбиталь
sрп
rибрид
водородная связь
спин
изменение фазы


узел волны
положительная амплитуда
отрицательная амплитуда
правило 4п + 2
кристалл




СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие редактора перевода . 5
Предисловие 7
1. Форма и фантазия (rеометрия молекул) 8
2. Молекулы и семейства молекул: из чеrо состоят OKPy

жающие нас вещества? . 24
3. Застывшие волны (электроны внутри атома) 40
4. Путешествие по ropaM и долинам или как реаrируют MO

л

ы?

5. Да или нет (об удивительной способности электронов
принимать «самостоятельные» решения) . 72
Словарь для химиков . 88


Лионель Салем


ЧУДЕСНАЯ МОЛЕКУЛА


Старший научный редактор r.Б. Шкляева
Младший научный редактор IO.В. Серrиевская
Художник В. Н. Конюхов
Художественный редактор М.Н. Кузьмина
Технический редактор И.И. Володина
Корректор И.И. Дериколенко


ИБ N!I 5371


Подлисано к лечати 09.08.84. Фотоофсет. Формат 84 х 1081/32'
Бумаrа офсетная N!I 1. rарнитура Тайме. Объем 1.38 бум.л.
Уел. леч. л. 4.62. Уел. kp.-оТТ. 9.77. Уч.-изд. л. 3.54. Изд. N!I 3/3813.
Тираж 50 000 экз. Зак. 955. Цена 20 кол.


ИЗДАТЕЛЬСТВО "МИР"
129820. rсп. Москва. И-110. 1-й Рижский лер.. 2.


Можайский лолиrрафкомбичат Союзлолиrрафпрома лри
rосударственном комитете СССР ло делам издательств.
лолиrрафии и книжной торrовли. 143200. r. Можайск.
уЛ. Мира. 93.