Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

В Периодической таблице много элементов-неметаллов, подобных хлору или кислороду (у которого восемь электронов, т.е. ему недостает двух до магических десяти), жаждущих отхватить себе электрон-другой у «перегруженных» электронами металлов вроде натрия или магния (у которого 12 электронов). Большинство элементов Периодической таблицы перенимают эту стратегию отдачи или захвата электронов, чтобы победить в игре связей. И это хорошо. Если бы все атомы были одинаково счастливы со своим исходным количеством электронов, то не было бы причины присоединять их или делиться ими, оказалось бы невозможным образование химических связей и мы бы никогда не пришли к нашему буйному разнообразию материального существования.

В этом мире взаимовыгодного бартера электронов и (обычно дружеских) слияний углерод занимает уникальное место, будучи элементом №6, т.е. находясь в середине периода на полпути между магическими двумя и десятью электронами. Подобно уставшему пловцу на озере, который оказался на равном расстоянии от двух берегов, углерод просто не «знает», что ему делать. Должен ли он устремиться в одну сторону и искать еще четыре электрона, чтобы обладать магическими десятью? Или ему следует направиться в прямо противоположном направлении и отдать четыре электрона, чтобы в итоге у него оказались магические два?

Эта неоднозначность дает углероду преимущество для образования связей, неизвестное большинству других элементов. В отличие от натрия, который неизменно отдает один электрон, или хлора, который столь же охотно хватает этот дополнительный электрон в борьбе за атомное счастье, шестой элемент наслаждается сразу многими контрастными химическими ролями — то забирает, то отдает, то делится электронами во взаимодействиях, которые ведут к образованию намного большего веера химических соединений, чем у всех остальных ста с лишним элементов, вместе взятых. Поэтому углерод способен создавать как самые твердые из всех известных материалов, так и самые мягкие, как самые яркие и разнообразные цвета, так и самый черный из наичернейших, как самые скользкие смазки, так и самые липкие клеи.

Горючий углерод {122}

Нам нужны материалы, но, чтобы их создать, требуется много энергии. Зачастую эта энергия приходит от тепла сжигаемого углеродного топлива. Мы везунчики, поскольку у Земли богатые запасы маленьких горючих углеродсодержащих молекул — углеводородного топлива, куда входят уголь, нефть и природный газ. Углеводороды, эти несложные продукты органической химии, встречающиеся повсеместно на Земле и в космосе, представляют собой молекулы, каждая из которых создана из прочного скелета соединенных атомов углерода и декорирована оторочкой из атомов водорода. В природном газе, или метане, — простейшем углеводороде — один атом углерода окружен пирамидой из четырех атомов водорода. Вклад углерода — шесть электронов, каждый из атомов водорода добавляет еще по одному для магической суммы в десять электронов.

Когда друг с другом соединяются два атома углерода, окруженные шестью атомами водорода по периферии, появляется новое соединение — топливо под названием этан. В этой простой горючей молекуле оба атома углерода используют свои электроны совместно с четырьмя соседями, в итоге каждый атом углерода наслаждается десятью электронами, а в то же время каждый атом водорода получает желаемое дополнение для обладания двумя электронами. В этане все атомы довольны.

Давайте продолжим строить: три подряд атома углерода обеспечивают скелет для пропана — распространенного в сельской местности топлива, которое хранится в больших белых цистернах. В пропане небольшой ряд из трех атомов углерода окружен восемью атомами водорода.

Если атомов углерода — четыре, то появляется кое-что новенькое: эти четыре атома имеют возможность выстраиваться двумя разными способами в виде двух изомеров. Четыре атома углерода бутана могут образовывать аккуратный коротенький ряд (это бутан-топливо, оно используется в большинстве одноразовых зажигалок), или же они формируют Т-образную молекулу — изобутан, который находит повседневное применение в качестве безопасного хладагента. Пентан с пятью атомами углерода и 12 атомами водорода умеет формировать цепочку из пяти углеродных атомов, цепочку из четырех атомов с одной боковой ветвью, а также симметричный крест. У октана, компонента бензина из восьми атомов углерода, существуют 18 замечательных изомеров с различной топологией (один изомер, «основа» октанового числа бензина, имеет цепочку из пяти атомов углерода с тремя небольшими ответвлениями). Парафины развивают эту тему, гордясь углеводородной цепочкой, в которой от 20 до 40[33] атомов углерода — чем их в цепочке больше, тем выше точка плавления.