100 великих научных открытий

1. Вещества состоят из молекул. Молекулой называется наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Многие физические свойства вещества — температуры кипения и плавления, прочность, твердость и т. д. — обусловлены поведением молекул и действием межмолекулярных сил.

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются в определенных отношениях.

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O, O, P, N и т. д.); молекулы сложных веществ — из разных атомов (HO, HCl).

5. В ходе химических реакций происходит изменение состава молекул и перегруппировка атомов, в результате чего образуются молекулы новых соединений.

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны между собой.

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию и пересмотрела некоторые ее положения. Так, ученые установили, что атом не является неделимым бесструктурным образованием и что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения (например, соли) в твердом и жидком состоянии состоят из ионов — частиц, в которых общее число положительных протонов не соответствует общему числу отрицательных электронов, что обеспечивает им определенный заряд. Такие вещества, как инертные газы, состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. А химически чистая вода образована не только отдельными молекулами HO, но и полимерными молекулами (HO) × n; одновременно в ней присутствуют ионы H+ и OH‒. Наконец, при нагревании до тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние — плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.

Согласно квантово-механическим представлениям, у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, то есть ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом меняется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу. Поэтому неизменных атомов в молекулах нет.

Невзирая на все уточнения и дополнения, современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов соединяться между собой в новые, более сложные образования, а также о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.

Фуллерен

Фуллерен — это молекула, которая представляет собой замкнутую сферу, состоящую из 60 атомов углерода. Теоретически фуллерены были предсказаны задолго до их экспериментального получения.

В 1966 г. Дэвид Джонс предположил, что внедрение пятиугольных дефектов в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру. В 1971 г. японский физик Э. Осава исследовал возможность существования такой структуры, однако результаты опубликовал лишь в журнале Kagaku («Химия»), который выходит исключительно на японском языке. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С.

В СССР в 1971 г. впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Директор Института элементоорганических соединений РАН, академик А. Несмеянов, предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полыеуглеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов, и тем самым изолировать их от воздействия окружающей среды. Бочвар подключил к этой работе своих сотрудников Е. Гальперн и И. Станкевича и первым делом исследовал стабильность молекулы C, которая имеет форму додекаэдра и носит название «карбододекаэдр». Однако размер такой молекулы оказался настолько мал, что внедрить в нее атомы металла было просто невозможно. К тому же результаты расчетов показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа приостановилась, и Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С, форма которой — симметричный усеченный икосаэдр — очень напоминает футбольный мяч. Притащив в лабораторию такой вот мяч, Станкевич заявил Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».