Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул

Мне нравится идея того, что электронам внутри молекулы нужно личное пространство, а это означает, что каждая связь должна располагаться как можно дальше от других связей. То, как располагаются электроны, химики называют геометрией электронов в молекуле. Не забывайте, что все дело в электронах, так как форма молекулы зависит от их общего количества и соотношения.

Гиллеспи и Найхолм выделили пять видов геометрий для описания положения электронов в молекуле. Может показаться, что форма молекулы не так важна, но на самом деле с ее помощью можно определить, как внутри распределены электроны. Они распределены равномерно? Или нет? Если мы объединим электроотрицательность молекулы с ее формой, то сможем определить, как две молекулы будут взаимодействовать друг с другом.

Предположим, что в молекуле есть один центральный атом (А) и какое-то количество связывающих электронных пар. В нашем примере центральный атом всегда будет находиться в середине молекулы, а связывающие электронные пары будут располагаться вокруг него. Это означает, что молекула с тремя атомами будет иметь молекулярную формулу AX₂ с центральным атомом А и двумя атомами Х вне молекулы.

Согласно «теории отталкивания электронных пар валентной оболочки», два атома Х в молекуле попытаются отдалиться друг от друга на максимальное расстояние, но они все равно будут располагаться возле атома А. Например, один атом Х будет справа, а другой – слева, под углом 180°. Идеальный пример такой формы – это углекислый газ. Такую же форму имеет молекула сухого льда, моего любимого криогенного вещества.

Логично, что молекула с четырьмя атомами будет иметь молекулярную формулу AX₃. В этом случае три атома Х равномерно распределены вокруг центрального атома А. Конфигурация такой молекулы называется «равносторонний треугольник», так как между каждой из связей образован угол 120°. Слово равносторонний было добавлено для того, чтобы указать, что такие молекулы плоские, как, скажем, лист бумаги.

Формальдегид (CH₂O) – это идеальный пример равносторонней плоской молекулы, а также одно из самых «запутанных» химических веществ. Наше тело самостоятельно вырабатывает эту молекулу, но также формальдегид содержится в брокколи, шпинате, моркови, яблоках и бананах. Высокие концентрации способны разово приводить к остротоксическим последствиям, в то время как длительное воздействие малых, но уже небезопасных концентраций формальдегида приводит к хронической токсичности. Чаще всего с ней сталкиваются рабочие на заводах. Острая же токсичность может возникнуть, скажем, в случае отравления при аварии на предприятии.

Плоские молекулы – это прямая противоположность причудливым молекулам с пятью атомами. Они будут иметь формулу AX₄ – тетраэдр с четырьмя гранями. Атомы Х располагаются на максимально большом расстоянии; углы между связями составляют 109,28°. Такую молекулу нельзя нарисовать на листке бумаги, поскольку она имеет форму тетраэдра (не двумерная). Два атома будут располагаться на листке бумаги, в то время как один атом Х окажется над листком, а другой атом Х – под ним. Помните, что согласно теории ОЭПВО атомы стараются находиться на максимальном расстоянии друг от друга.

Другими словами, атомы в крупных молекулах будут нарушать плоскость, так как иначе электроны начнут отталкиваться. Идеальный пример молекулы с формой тетраэдра – метан (CH₄). Это газ, который подается в газовые трубы, а не газ, который можно почувствовать при утечке. (Он называется метантиолом или метилмеркаптаном, и у него запах тухлых яиц. Его начали добавлять к природному газу еще в 1937 году после взрыва Лондонской школы в Нью-Лондоне, штат Техас, из-за утечки газа. В результате взрыва погибло 300 учеников и учителей. Метантиол имеет резкий запах, благодаря чему люди могут быстро заметить утечку.)

Молекулы с шестью атомами имеют форму AX₅ и представляют собой тригональную бипирамиду. Представьте, что над и под плоскостью располагается по одному атому. Затем добавьте три атома в плоскости, расположенных под углом 120° друг к другу. Ох, вы уже запутались? Хорошо, давайте я попробую объяснить на примере нашего тела. Если бы оно имело форму тригональной бипирамиды, то атом А был бы вашим туловищем. Один атом Х был бы вашей головой, а другой атом Х – вашими ногами. Еще один атом Х располагался бы напротив ваших бедер. Еще два атома располагались бы напротив правой и левой ягодиц. Это сложная молекула, которая, что удивительно, довольно симметрична.

Молекулы с семью атомами похожи на молекулы с шестью. Один атом находится над плоскостью, другой – под плоскостью. Но теперь другие четыре атома расположены в плоскости под углом 90° друг к другу. Еще четыре атома: напротив вашего правого бедра, левого бедра, правой ягодицы и левой ягодицы. Такая форма называется октаэдром, поскольку все подобные молекулы имеют восемь граней.

На сегодняшний день идеальным примером молекулы с семью атомами считается гексафторид серы (SF₆). Если человек вдохнет этот газ, его голос сразу станет грубым и низким; эффект прямо противоположен эффекту от вдыхания гелия. (Это также газ, который стал причиной скандала «FartGate» в шоу Венди Вильямс. Посмотрите видео, если еще не смотрели. Там задействован именно он.)

Теория ОЭПВО помогает ученым узнать, как именно электроны располагаются вокруг центрального атома молекулы. Однако некоторые молекулы, как кофеин в кофе, этанол в пиве или углеводы в чипсах, имеют несколько центральных атомов. В таких случаях мы совмещаем геометрию всех центральных атомов молекулы и определяем общую форму.

Давайте рассмотрим это на примерах молекул, содержащих более пятидесяти атомов. К таким относятся цис-и трансжиры.

Несколько лет назад Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) дало всем производителем пищевой продукции три года на то, чтобы они смогли найти способ удалить трансжиры из своих продуктов. В США использование трансжиров официально запретили в июне 2018 года. Однако на использования цис-жиров не было наложено никаких ограничений. И это может слегка удивлять, так как цис- и трансжиры имеют одинаковые молекулярные формулы, кроме того, их можно получить в ходе похожих процессов.

Единственное отличие заключается в форме молекулы. Если трансжиры внешне похожи на зубочистку, то цис-жиры похожи на зубочистку, сломанную пополам.

Когда трансжиры попадают внутрь организма, в артерии, они могут связаться с другими трансжирами. Тогда они начинают накапливаться в определенном месте, из-за чего происходит закупоривание. Иногда трансжиров собирается так много, что они полностью забивают артерию и препятствуют оттоку насыщенной кислородом крови от сердца. Одним из опаснейших последствий этого является инфаркт. Подобную ситуацию можно с легкостью представить на примере чего-то «реального». Например, что вы берете несколько зубочисток, собираете их вместе, а затем помещаете в конец шланга. Если зубочистки располагаются вплотную друг к другу, то вода не сможет через них пробиться.

А теперь представьте, что сначала вы сломаете эти зубочистки пополам. Вы сможете так же аккуратно закупорить ими конец шланга? Сомневаюсь. Как бы вы ни старались, все равно останутся зазоры, через которые будет просачиваться вода; то же самое и с цис-жирами, которые не могут так же легко закупорить артерии.

Надеюсь, из этого примера вы поняли, что форма молекулы действительно важна (и для химии, и для ваших артерий). По форме молекулы можно понять, где располагаются электроны, как молекула будет выглядеть в трехмерном пространстве и, что гораздо важнее, как именно электроны образуют связи между атомами.

Но сперва давайте рассмотрим атомы повнимательнее.

Во-первых, у каждого слоя атома есть карманы – карман нижнего белья, карман рубашки, карман пальто. Каждый из этих карманов представляет собой атомную орбиталь. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Три, четыре или больше – никогда; в карманах нет свободного места, к тому же ни один из них не сможет справиться с зарядом третьего электрона. Не забывайте, что электроны постоянно отталкиваются друг от друга, поэтому им нужно много свободного пространства.

По правде говоря, даже если на орбитали есть только два электрона, они испытывают ужасный дискомфорт. Чтобы минимизировать отталкивание, они вращаются в противоположных направлениях: один – по часовой стрелке, другой – против.

Давайте поэкспериментируем. Пусть ваша левая рука будет двигаться по часовой стрелке, а правая – против. Я каждый год провожу такие демонстрации для своих студентов и выгляжу очень глупо. Не могу заставить свои руки двигаться в противоположных направлениях… Студенты постоянно смеются надо мной. Но вы знаете, почему электроны двигаются в противоположных направлениях? Это может показаться странным, но именно так они стабилизируют атом. Движение по кругу позволяет электронам разойтись по малой орбитали, благодаря чему они всегда находятся на максимальном расстоянии друг от друга.

Я могу предугадать ваши мысли: сейчас вы, скорее всего, думаете, что получили совершенно бесполезную информацию. Почему вас должны волновать какие-то орбитали и то, сколько электронов там помещается? Как эти орбитали влияют на вашу жизнь?

Честно говоря, я понимаю, почему вы задаетесь подобными вопросами. Но атомы и молекулы в реальной жизни встречаются, мягко говоря, часто. Посмотрите на что-то простое, например, на свою одежду. Молекулы в красителях придали вашей рубашке красный или синий цвет. От расстояния между молекулами зависит то, насколько дышащей будет ткань или как хорошо она будет отводить пот, если вы носите влагоотводящее термобелье.

А орбитали? Их наука намного сложнее и, как мне кажется, красивее.

Четвертого июля^[3] мы видим, как электроны перемещаются между орбитами при запуске фейерверков. Если фейерверк красный, значит, электроны перемещаются на соседние орбитали, а если зеленый, значит, перемещаются на большие расстояния.

Мы также может наблюдать «работу» орбиталей на Хэллоуин каждый раз, когда видим фосфоресценцию – химическое явление, когда вещи светятся в темноте. Мы можем этого не осознавать, но мы постоянно наблюдаем за тем, как электроны движутся по своим орбиталям или переходят на другие. А еще нам очень повезло, что ученые смогли разработать безопасные для человека способы игры с электронами и орбиталями – например, у нас есть бенгальские огни и светящиеся палочки.

Есть четыре типа атомных орбиталей или карманов у атома, где могут располагаться электроны. Это s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Такая классификация была предложена ученым Эрвином Шредингером. В своей статье он установил, как связаны между собой атомы. По правде говоря, за последние сто лет практически ничего не поменялось. Химики вроде меня до сих пор считают, что существуют четыре главных типа атомных орбиталей.

Не забывайте: вне зависимости от формы и размера орбитали на ней могут располагаться только два электрона. Эти электроны должны быть на максимальном расстоянии друг от друга (из-за постоянного отталкивания друг от друга).

Свободнее всего электроны чувствуют себя на s-орбитали, так как она по форме похожа на большой круглый шар. Огромная сфера, в середине которой расположено ядро атома. Это может показаться весьма нелогичным, но буква s в названии от слова sharp (резкий), потому что в лаборатории s-орбитали образуют резкие различия.

Чтобы стало понятнее, давайте рассмотрим простой пример. Возьмем орбиталь с наименьшим энергетическим уровнем; такая орбиталь называется 1s. Каждый отдельный атом в периодической системе содержит 1s-орбиталь. Именно она располагается ближе всего к ядру, и на ней могут располагаться только два электрона. Так как у водорода и гелия имеется только один и два электрона соответственно, их остальные атомные орбитали остаются пустыми. Именно поэтому водород и гелий – это отличные примеры того, почему орбитали важны.

Давайте сначала рассмотрим гелий. На его 1s-орбитали располагается два электрона. Как вы помните, гелий очень стабильный элемент. Он настолько стабилен, что обычно мы используем его для заполнения воздушных шаров. У нас нет никаких опасений насчет этого газа, ведь он инертный. А это значит, что даже если внезапное дуновение ветра подхватит шарик и унесет его к свечам на торте, то ничего не случится. Воздушный шар просто лопнет, а гелий перейдет в атмосферу.

А теперь давайте рассмотрим водород, у которого на 1s-орбитали всего один электрон. В отличие от гелия, водород не является стабильным элементом. Все дело в «свободном» пространстве на орбитали. Водород постоянно находится в поиске еще одного электрона, который сможет занять свободное место; он также может кому-то отдать свой единственный электрон. Водород настолько реакционноспособный элемент, что в природе практически невозможно встретить его в одноатомном виде. Обычно такой водород объединяется с другим и образовывает двухатомный водород (H₂). Если бы вы по ошибке наполнили воздушный шар водородом, а не гелием, то при его соприкосновении с открытым огнем произошел бы огромный взрыв. Упс. Взрывная вечеринка! А все из-за свободного места на атомной орбитали – или свободном месте в кармане атома.

Подобные реакции могут происходить и в том случае, если электроны совершают какие-то движения на следующем уровне: p-орбитали. Здесь p означает principal (главный). Эта орбиталь в форме восьмерки, имеющей две половины: два участка, где располагаются электроны. По правде говоря, существует три одинаковых варианта p-орбитали на любом уровне атома; они соединяются между собой, образуя вокруг ядра шестиконечную звезду.

Каждая p-орбиталь имеет свое место в пространстве. Например, на p_x-орбитали электроны двигаются слева направо вдоль атома; на p_y-орбитали – вперед и назад; на p_z-орбитали – вверх и вниз.

И, по правде говоря, есть нечто загадочное в том, как движутся электроны. Они никогда не касаются ядра, однако могут перемещаться с одной стороны атома на другую. И хотя электроны движутся в разные стороны, они никогда не проходят через ядро. Но как им удается перемещатся с одной стороны атома на другую, при этом не пересекая само ядро? По правде говоря, у нас все еще нет ответа на этот вопрос. В химии до сих пор существует множество непонятных вещей, и это одна из них. Я лишь надеюсь, что смогу застать тот момент, когда ученые приоткроют завесу этой тайны.

Когда происходит перекрывание трех p-орбиталей, образуется фигура, напоминающая звезду. Теперь шесть электронов (3 орбитали · 2 электрона на каждой = 6) двигаются вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами двух видов. Если вы посмотрите на изображение p-орбитали в форме шестиконечной звезды, то заметите промежутки, где электроны не могут существовать. В отличие от s-орбитали, на p-орбитали у электронов гораздо меньше свободного места. Просто идеальная среда для них.

Следующий уровень – это d-орбиталь. По правде говоря, моя любимая. Обычно именно d-орбиталь лежит в основе большей части неорганической химии. Каждая d-орбиталь имеет четыре части или доли, где могут находиться электроны. Внешне d-орбитали похожи на небольшие цветки; ядро располагается в центре, а электроны в лепестках.

Есть пять разных d-орбиталей, и четыре из них имеют одинаковый вид. Единственное различие заключается в их расположении в пространстве. Чтобы лучше понять все это, давайте рассмотрим четырехлопастную d-орбиталь.

Если вы положите книгу на стол, то d-орбиталь будет располагаться на горизонтальной поверхности (расположение 1). А теперь встаньте и приложите книгу к стене напротив вас (расположение 2) и к стене слева от вас (расположение 3). Может быть, вы даже приложили книгу к ширме, разделяющей комнату по диагонали (расположение 4). Таким образом у нас будет четыре различных расположения: (1) плоское, (2) вертикальное, (3) вертикальное, развернутое на 90°, и (4) вертикальное, развернутое на 45°. Каждое другое положение книги в пространстве представляет собой еще одно расположение d-орбитали в атоме.

Пятый вид d-орбиталей имеет странную форму, которую мой преподаватель, профессор, называл «сосиской в бублике». Звучит сомнительно, но я должна отдать должное: это идеальное описание уникальной формы d-орбитали. Лично мне кажется, что эта орбиталь выглядит как p_z-орбиталь с обручем вокруг «талии».

Когда все пять d-орбиталей перекрываются, они образуют цветок странной формы, прямо как p-орбитали образуют шестиконечную звезду. Однако этот цветок представляет собой сложную систему, по которой перемещаются электроны. Благодаря причудливой форме d-орбиталей десять электронов (5 орбиталей · 2 электрона на каждой = 10) могут двигаться вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами.

Последний вид орбиталей – это f-орбиталь. Как вы уже догадались, они самые сложные. Я рассказываю об f-орбиталях только потому, что они круто выглядят.

Всего есть семь разных f-орбиталей; некоторые из них имеют шесть лепестков, некоторые – восемь. На рисунке выше вы можете увидеть изображение самой странной орбитали из всех f-орбиталей. Мы шутливо называем ее «сосиска в двойном бублике», потому что она выглядит точно так же, как и p_z-орбиталь с двумя обручами вокруг талии.

При перекрытии семи f-орбиталей молекула может минимизировать отталкивание между четырнадцатью электронами (7 орбиталей · 2 электрона на каждой = 14). При перекрытии орбитали похожи на странный, причудливый цветок. Обычно с f-орбиталями работают в радиоактивной химии; так что все, что вам нужно знать, это то, что f-орбитали имеют действительно странную и сложную форму.

Но не забывайте: вне зависимости от формы каждая атомная орбиталь может иметь максимум два электрона. Электроны двигаются в противоположных друг другу направлениях, сводя к минимуму возможность контакта. А теперь мы можем подробнее поговорить о том, как перекрывают друг друга разные орбитали.

Первый тип перекрывания, который я хочу обсудить, называется осевым. Такая связь образуется, когда две разные орбитали пересекаются в одном месте.

Представьте себе простейшую диаграмму Венна^[4] с тремя кругами. Если вы уберете один круг, то у вас останется две s-орбитали. Две окружности пересекаются в одном месте: именно так две s-орбитали формируют связь, называемую сигма-связью.

При образовании сигма-связи электроны атома А могут свободно переместиться к протонам атома В (при условии, что атом В электроотрицательнее атома А).

Однако s-орбитали могут образовывать связи не только с другими s-орбиталями. Они также могут сформировать сигма-связи с p-орбиталями. Новая связь формируется в том случае, если s-орбиталь перекрывается одной из частей p-орбитали. Если вы возьмете диаграмму Венна с двумя кругами и превратите один из них в восьмерку, то сможете визуализировать связь между s-орбиталью и p-орбиталью. Электроны с легкостью могут перемещаться от одного атома к другому через место пересечения орбиталей.

Две p-орбитали могут образовать сигма-связь, если они взаимодействуют с помощью осевого перекрывания. При такой связи правая сторона левой восьмерки будет перекрываться левой стороной правой восьмерки (∞∞). Орбитали перекрывают друг друга в одном месте, образуя сигма-связь.

Однако две p-орбитали могут взаимодействовать с помощью бокового перекрывания. Из названия этого перекрывания понятно, что у орбиталей есть два месте пересечения. Такая связь называется пи-связью.

Просто представьте две p-орбитали, расположенные рядом с друг другом (88). Две верхние части будут взаимодействовать между собой точно так же, как и две нижние.

Если вы когда-нибудь слышали о газовой сварке, то уже знаете о данном типе связи. Ацетилен (C₂H₂) – это небольшая молекула углеводорода с прочной пи-связью между атомами углерода. Если мы подожжем этот газ, то тройная связь в молекуле разрушится. При сгорании газа температура пламени составляет максимум 3150°C (5702°F); это отлично подходит для сварки двух металлов.

С помощью орбитальных перекрытий могут образовываться новые связи, так как именно при перекрывании атомы делят между собой электроны. Подобные связи могут быть ковалентными или ионными. Вне зависимости от того, из каких атомов состоит молекула, она всегда будет стараться принять такую форму, при которой валентные электроны будут располагаться на максимальном расстоянии друг от друга.

Это все, что вам нужно знать о связях в молекулах. По крайней мере, сейчас.

И раз уж теперь вы знаете, как образуются связи внутри молекул, я могу рассказать вам о связях между молекулами. Будут ли молекулы образовывать новые ионные или ковалентные связи? Или они просто проигнорируют друг друга и будут болтаться в группах?