Чудесная молекула

Таким образом, медную проволоку или кусок сахара мы можем видеть невооруженным глазом именно благодаря тому, что они состоят из огромного числа атомов и молекул. То же самое можно сказать про все вещества, которые нас окружают: дерево, бумагу, ткань, металл. Когда вы от куска сахара отщепляете маленькую крупицу, знайте, что вы отщепляете такое огромное число молекул, для которого в нашем языке нет соответствующего слова!

2.2. Алмаз и... стекло

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

 

Наверное, вам случалось любоваться алмазом в перстне. В чем секрет исключительной твердости этого камня? Он заключается в том, что при упаковке между атомами возникает очень много связей. Если атомы углерода уложены так, что каждый из них окружен четырьмя другими (при этом, как в случае молекулы метана, образуется тетраэдр), то все атомы оказываются связанными между собой. Построенное таким способом твердое вещество и есть не что иное, как наш великолепный камень. Любое испытание на твердость алмазу нипочем. И когда вы берете в руки алмаз, знайте, что берете одну гигантскую молекулу. Попробуйте его поскрести: вы не сможете отделить ни единого атома!

Основной фрагмент структуры стекла. Каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, расположенными в вершинах тетраэдра. Но каждый атом кислорода при этом связан лишь с двумя атомами кремния

 

Свойства твердого тела, получаемого при упаковке атомов, определяются главным образом природой атомов и числом образуемых связей. Например, заменим атом углерода в скелете алмаза на атом кремния и окружим его четырьмя атомами кислорода. Каждый атом кислорода может образовать связь всего лишь с двумя атомами кремния, поэтому сооружение получается более гибкое и менее компактное. Тут можно найти цепи разных размеров из сцепленных атомов кремния и кислорода. В таком кремний — кислородном чемодане, упакованном быстро и без особой тщательности, порядка значительно меньше, чем в алмазе. А невооруженным глазом мы видим... стекло! Если же такой чемодан собирать очень медленно и тщательно, мы получим... кварц.

2.3. Водородные мостики и весна

Лед. Каждая молекула воды окружена четырьмя другими благодаря водородным мостикам

 

Если в качестве главного атома вместо углерода или кремния взять атом кислорода, то чемодан упаковать еще труднее, так как атом кислорода образует всего две связи вместо четырех. И все же, соединяя молекулы воды, природа являет нам еще одно чудо строительства, окружая каждую молекулу четырьмя соседними. Это чудо обязано своим существованием особому свойству атомов водорода, уже связанных с кислородом: каждый такой атом водорода может приблизиться к атому кислорода другой молекулы и образовать с ним связь. Эта связь, хотя и совсем слабая, создает, однако, очень полезный мостик между двумя атомами кислорода и дает возможность каждой молекуле воды связаться с четырьмя другими.

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

 

В кубике льда содержится множество молекул воды, соединенных этими водородными мостиками. Конечно, прочность такой постройки невелика: на этот раз содержимое чемодана весьма хрупко. Достаточно совсем небольшого нагревания, чтобы водородные мостики начали рваться. Некоторые молекулы воды начинают свободно двигаться. А на глаз мы наблюдаем... таяние льда. Совсем незначительное событие в мире молекул — разрыв нескольких водородных мостиков — оборачивается существенным событием нашей жизни: весенним таянием снегов и льдов!

2.4. Вечная суета в мире жидких тел

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

 

В отличие от молекул воды в молекулах спирта имеется только один атом водорода, непосредственно связанный с атомом кислорода. Поэтому молекулы спирта могут образовывать водородные мостики только с двумя соседними молекулами. Еще хуже обстоит дело с молекулами эфира, у которых на центральном атоме кислорода нет атомов водорода, а значит, и нет возможности построить мостик. Когда число водородных мостиков мало, расположение молекул становится весьма беспорядочным. Молекулы-сестры без конца движутся, меняются местами, суетятся: все вместе они составляют жидкость. Спирт и эфир остаются жидкими и тогда, когда вода уже замерзает.

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

 

Силы, связывающие молекулы эфира между собой, очень слабы. Существует лишь притяжение между разноименно заряженными частями молекул. Поэтому молекулы эфира склонны вылетать из жидкости: эфир легко испаряется. И только очень сильно охладив молекулы, можно отнять у них столько энергии, что они перестанут двигаться. Тогда даже спирт и эфир могут стать твердыми.

2.5. Молекулы, помогающие узнавать время