Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

У молекул нет сержантов, они все равны между собой, поэтому, если такой процесс пойдет неправильно в молекулярном мире, дороги назад обычно не бывает. Возьмите красивые кристаллики сахара, растворите их в горячей воде и затем быстро выпарьте воду. Это заставит молекулы снова броситься друг к другу, чтобы образовать единое целое, и вы получите назад свои молекулы сахарозы в твердой форме, но прекрасные кристаллы исчезнут! В зависимости от условий в результате ваших действий может получиться что угодно, от липкой массы до деформированных кристаллов[91]. Если вдуматься, на дне вашего кухонного чайника вы тоже не найдете красивых кусочков мрамора, хотя в принципе накипь – этот тот же карбонат кальция, образующийся на нагревательном элементе (в зависимости от вашего места жительства и жесткости воды). Столовую соль легче вернуть в кристаллическую форму, так что очевидно, что это зависит от имеющихся у вас конкретных молекул, но в целом рост кристаллов – это коварная область, в которой существует мало правил и есть лишь ненадежные ориентиры. Именно поэтому некоторые мои коллеги-химики в шутку называют этот процесс «черной магией», но все же другие люди заклинаниями призывают фею кристаллов к действию в своих пробирках.

Рисунок 16. Слева: молекулы сахарозы на параде в кристалле сахара. Для простоты показаны лишь два цикла – один с пятью и второй с шестью атомами. Полная формула выглядит так: (C₆H₁₁O₅)O(C₆H₁₁O₅). Справа: упрощенная палочковая схема молекулы сахарозы.

Почему нас так волнуют кристаллы? Потому что они помогают нам видеть молекулы, с которыми мы работаем, – с тех пор как мы около 100 лет назад выяснили, как создавать изображения кристаллов, это очень сильно способствовало развитию химии, медицины и материаловедения. Молекулы, как правило, слишком малы даже для самой причудливой и изощренной современной микроскопии[92], но, когда они стоят по стойке смирно внутри кристалла, сам порядок вещей оказывается весьма полезным: расстояния между атомами внутри молекул и между ними повторяются миллионы раз. Среднестатистический кристаллик сахара содержит около 10¹⁸ молекул – 1 квинтиллион, или то же количество, что и в решении знаменитой задачи о зернах на шахматной доске[93].

Если мы направим узкий рентгеновский луч на кристалл, фотоны луча станут отталкиваться от атомов, с которыми будут сталкиваться, – или, вернее, от их электронов. Некоторые на поверхности, некоторые в первом слое, некоторые в следующем и так далее. Если поместить позади кристалла фотографическую пластину (или еще какой-нибудь чувствительный элемент), в его центре мы увидим большое пятно от луча, который проходит через кристалл, а также более бледные пятна вокруг него. Эти смещенные от центра пятна возникают от фотонов, которые по пути столкнулись с атомом. Из-за того, что световые волны прошли разные расстояния, максимумы и минимумы волны (своеобразные «пики» и «ущелья») теперь находятся не там же, где у лучей, которые отражались от верхнего слоя и слоя, следующего за ним, и которые преодолели чуть большее расстояние.

Для обычного света это расхождение настолько мало, что оно не имеет значения, но поскольку длина волны рентгеновских лучей близка к внутримолекулярным и межмолекулярным расстояниям между атомами, то разница в преодоленном пути может достигать половины длины волны. Когда такие комбинации лучей выходят из кристалла и снова соединяются, образуя отраженный луч, максимум волны в одном отражении теперь совпадает с минимумом волны в другом отражении – две волны гасят друг друга, и пятно на пленке не появится. Это явление известно как деструктивная интерференция.

С другой стороны, если разница в пройденном расстоянии составляет одну, две, три или любое другое целочисленное значение длины волны, для фотонов максимумы совпадут, и они окажутся «в фазе». Это конструктивная интерференция, а кристаллографы просто скажут, что в таких случаях вы видите дифракционный пик. Измерив интенсивность и расположение таких пиков (дифракционную картину) на фотопленке, отец и сын Брэгг в 1913 году смогли определить расположение ионов натрия и хлора в кристаллах столовой соли и таким образом стали первыми людьми, которые «увидели» атом[94]. В настоящее время широко распространены ПЗС-детекторы вроде тех, что используются в цифровых фотоаппаратах, чтобы регистрировать эти пятна.