Как ученые «видят» мир

Когда химики, биологи, геологи или другие ученые исследуют мир, они имеют дело с двумя уровнями: макроскопическим (то, что мы можем увидеть) и микроскопическим (то, что мы не можем увидеть).

Если для того, чтобы что-то увидеть, вам необходим микроскоп, то это микроскопический уровень. Если вы можете что-то увидеть невооруженным глазом, то это макроскопический уровень.

Что же происходит с крошечными молекулами? Первое, на что мы, химики, обращаем внимание – как электроны распределяются внутри молекул. Вы, наверно, уже догадались, что это определяется формой молекулы. Химическая формула «рассказывает» ученым то, как электроны из разных молекул будут взаимодействовать друг с другом, а также то, как они будут располагаться в пространстве.

В некоторых системах молекулы выстраиваются в линию, словно они водят хоровод, в то время как в других системах скопления молекул похожи на символ инь-ян. По правде говоря, если вы знаете основные закономерности расположения молекул, вам не составит труда определить, как те или иные группы изменяются от фазы к фазе.

Однако сначала вам придется определить общую полярность молекулы. И это возвращает нас к старой теме. Электроотрицательность.

Давайте рассмотрим кислород – один из самых электроотрицательных атомов. Если он входит в состав молекулы, то будет притягивать все электроны от соседних атомов к своему ядру. В молекуле воды (Н2О) все электроны притягиваются к атому кислорода, а не к водороду.

Так как электроны распределяются неравномерно, кислород имеет частичный отрицательный заряд. Именно так мы считали, когда изучали, как атомы делят электроны при образовании связи. А теперь давайте посмотрим, что происходит, когда в одной молекуле образуется несколько связей.

Есть два варианта того, как электроны будут распределяться в молекуле: в одном случае образуется полярная молекула, в другом – неполярная. Если вы разделите молекулу ровно пополам, она будет считаться полярной. Это значит, что электроны распределены внутри молекулы неравномерно: у нее есть положительная и отрицательная стороны, прямо как у магнита.

Давайте подробнее рассмотрим то, как электроны распределяются в молекуле воды. Повторюсь, кислород в молекуле воды имеет частично отрицательный заряд. Логично, что у обоих атомов водорода заряд частично положительный. Это касается каждой молекулы воды на Земле. Кислород всегда имеет частично отрицательный заряд, водород – частично положительный. В такой ситуации мы можем разделить молекулы воды пополам и получить одну положительную и одну отрицательную стороны, тем самым создав полюса молекулы.

Полярные молекулы вызывают цепную реакцию сильного притяжения между положительной и отрицательной сторонами молекулы воды. Это называют диполь-дипольным взаимодействием. Оно происходит только между молекулами с постоянным дисбалансом заряда (то есть полярными молекулами).

Прямо сейчас вокруг вас происходят сотни дипольдипольных взаимодействий. Если вы сидите на кухне, то они происходит в лежащих рядом яблоках и грушах, даже в куске свинины, говядины или рыбы! Если рядом стоит стакан воды, содовой или вина, то вы также наблюдаете особые диполь-дипольные взаимодействия. Они настолько сильны, что у них есть собственные названия. Молекулы воды – это идеальный пример молекул с водородной связью. Почему? Потому что это полярные молекулы с сильными полярными связями.

Но не забывайте, что водородная связь – это не ковалентная связь, возникающая, когда атомы водорода и кислорода объединяются, образуя молекулу воды. Водородная связь возникает между атомом водорода одной молекулы воды и атомом кислорода другой молекулы воды. Эта связь очень сильная: только представьте, шесть дюймов льда могут выдержать многотонный грузовик. Грузовик! С ума сойти, да?

Когда-то существовало шоу «Ледовый путь дальнобойщиков» (Ice Road Truckers), которым я была просто одержима. И знаете, это шоу – прекрасный пример водородной связи. Как человек, выросший в Мичигане, я хорошо знаю, какую опасность представляет собой тонкий лед. И я с замиранием сердца смотрела, как эти отважные дальнобойщики ездят по льду. Но водородные связи настолько сильны, что даже грузовики весом в несколько тонн могут спокойно ездить по замерзшим озерам Канады.

К счастью, у дальнобойщиков есть свои секреты и хитрости. Они могут на глаз оценить состояние льда, чтобы избежать катастрофы; но при этом не могут оценить силу притяжения, существующего между молекулами воды. Понимаете, при разрушении водородных связей молекулы могут начать фазовый переход. Даже при повреждении их небольшая часть лед может превратиться в воду. И это серьезная проблема для тех, кто работает или проводит время на замерзших озерах. Кстати, когда разрушаются все водородные связи сразу, вода может превратиться в пар. Итак, когда мы наблюдаем за таянием льда или тем, как кипит вода, на самом деле мы наблюдаем разрушение водородных связей.

И наоборот, мы можем наблюдать образование водородных связей при замерзании воды. Я использую этот фазовый перевод каждый раз, когда провожу демонстрацию под названием «Грозовое облако». Я добавляю горячую воду в емкость с жидким азотом, из-за чего вода на дне замерзает. В этом процессе тепло от горячей воды передается жидкому азоту, в результате чего жидкий азот (N2) испаряется, образуя большое облако газообразного азота.

Как и в воде, притяжение между молекулами азота пропадает до того, как он переходит из жидкой фазы в газообразную. Но, в отличие от воды, азот не может образовывать водородные связи, так как эта связь образуется между полярными молекулами. Вместо этого молекулы азота образуют дисперсионное взаимодействие.

Оно возникает в том случае, если между молекулами появляется слабое притяжение. Помните, в прошлой главе мы говорили о трансжирах? Причина, по которой они могут скапливаться (и закупоривать артерии), состоит в том, что они используют дисперсионное взаимодействие, чтобы молекулы плотно сцеплялись друг с другом. Это касается каждой неполярной молекулы.

Но каково это, быть неполярной молекулой? Что это значит?

Неполярные молекулы не имеют положительную или отрицательную сторону. Электроны в них располагаются симметрично: представьте печенье с шоколадной крошкой. Если вы разделите его пополам, то на обеих половинках будет одинаковое количество шоколадной крошки. То же самое и с неполярными частицами – там электроны равномерно распределены по всей молекуле.

Интересный факт: неполярные молекулы примерно на наносекунду могут стать полярными! Но потом они возвращаются в обычное состояние. Это как если я надену шляпу и очки для пары фотографий в фотокабине, а затем сниму и снова стану обычной Кейт, какой была до этого.

Но как молекулы «переодеваются», чтобы добиться асимметричного распределения электронов внутри себя? У атома и молекул бывают моменты, когда электроны внутри них не уравновешены. Например, в молекуле азота (N2) на два атома приходится четырнадцать электронов.