Текст книги "Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир"

Автор книги: Майкл Файер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 29 страниц)

Тройная углерод-углеродная связь – ацетилен

Ацетилен образует тройную связь между атомами углерода, во многом аналогичную двойной связи в этилене. Каждый атом углерода имеет для образования химических связей четыре атомные орбитали: 2s, 2p_x, 2p_y и 2p_z. Молекула ацетилена линейная (см. рис. 14.14). Примем линию, вдоль которой выстроена молекула, за ось x. Тогда каждый атом углерода образует две гибридные sp-орбитали из своих 2s– и 2p_x-орбиталей. Эти две гибридные sp-орбитали атома углерода служат для образования двух σ-связей: одной – с другим атомом углерода и одной – с атомом водорода. В результате остаются неиспользованными две 2p-орбитали у каждого атома углерода – 2p_y и 2p_z. 2p_z-орбитали атомов углерода образуют одну π-связывающую МО, a 2p_y-орбитали – другую. В результате два атома углерода оказываются соединены тройной связью: одной σ-связью и двумя π-связями.

В последующих главах мы будем обсуждать ряд типов молекул, таких, например, как спирты, органические кислоты, крупные углеводороды и углеродсодержащее топливо – уголь, нефть и природный газ. Обсуждение небольших спиртовых молекул позволит нам понять, что такое спирты и почему небольшие различия в их строении могут иметь огромное значение, если вы решите выпить что-то, отличное от этанола (спирта, содержащегося в пиве). Эти идеи позволят нам понять, почему одни молекулы растворимы в воде, а другие нет и каким образом мыло (разновидность крупных органических молекул) позволяет растворяться в воде нерастворимым жирам. В связи с вопросом о жирах и транс-жирах мы разберёмся в том, насколько важна неспособность двойных связей подвергаться вращательным структурным изменениям. Мы обсудим, что происходит, когда горит основанное на углероде топливо и почему при одинаковом количестве выделяемой энергии одно топливо даёт больше парникового углекислого газа, а другое – меньше. То, что углекислый газ является парниковым, хорошо известно, но почему? Мы увидим, как сочетание двух фундаментальных квантовомеханических эффектов делает диоксид углерода мощным парниковым газом.

15. Пиво и мыло

В этой главе мы рассмотрим несколько типов молекул, чтобы увидеть, как различия в их природе влияют на химические процессы. Прежде всего, мы займёмся спиртами. Спирт – это органическая молекула, которая содержит химическую группу определённого типа. Молекула спирта может быть относительно маленькой, как, например, у этилового спирта, который химики обычно называют этанолом. Этанол – это спирт, содержащийся в пиве, вине и водке. Однако крупные и важные биологические молекулы, например холестерин, также являются спиртами. Такими крупными молекулами мы займёмся в главе 16. А сейчас разберёмся, почему этанол растворяется в воде, как он превращается в уксус и какие химические реакции в вашем теле делают метанол (древесный спирт) ядовитым, в то время как этанол безопасен, по крайней мере в умеренных количествах. Опираясь на механизм, который позволяет некоторым молекулам растворяться в воде, мы рассмотрим строение молекул мыла и масла, чтобы понять, почему для того, чтобы удалить загрязнения с посуды и смыть их в канализацию, нужно мыло.

Спирты

Этанол – это этан (см. рис. 14.10), в котором один из атомов водорода заменён OH-группой, называемой также гидроксильной группой. Химическая формула этанола H₃CH₂COH. На рис. 15.1 изображены диаграмма и шаростержневая модель этанола. В этаноле, как и в этане, атомы углерода используют четыре гибридные sp³-орбитали для образования тетраэдрической конфигурации связей. Кислород также использует четыре sp³-гибридизированные орбитали. Одна из них служит для того, чтобы соединиться с атомом углерода, ещё одна используется для связи с водородом, а остальные две содержат неподелённые электронные пары. Эти неподелённые пары не показаны на схеме и в шаростержневой модели на рис. 15.1. (На рис. 14.2 изображены неподелённые пары кислорода в молекуле воды.)

Рис. 15.1. Схема молекулы этанола (этилового спирта), демонстрирующая, как в этой молекуле соединены атомы (вверху), и её шаростержневая модель (внизу). Атомы водорода показаны светло-серым тоном, углерод – серым, а кислород – чёрным

Обратите внимание, что в шаростержневой модели этанола атом водорода, соединённый с кислородом, заметно меньше атомов водорода, соединённых с атомами углерода. Обратившись к Периодической таблице (см. главу 11), мы узнаём, что кислород в действительности стремится захватить электроны, чтобы получить замкнутую, как у неона, конфигурацию оболочки. Однако совместное использование электронов в химической связи кислорода и углерода не вполне равноправное. Кислород очень сильно притягивает электроны и перетаскивает к себе часть электронной плотности от водорода. Дополнительная электронная плотность придаёт кислороду частичный отрицательный заряд, а водород из-за потери электронной плотности приобретает частичный положительный заряд. Эта потеря электронной плотности приводит к уменьшению размера электронного облака атома водорода, что и отражено на рисунке относительно малым размером сферы, соответствующей атому водорода, связанному с кислородом. Углерод и водород, образующие ковалентную связь, почти одинаково притягивают электроны. Поэтому они делят электроны почти поровну. Таким образом, в среднем электронная плотность у водорода, связанного с углеродом, больше, чем у водорода, связанного с кислородом. В общем случае спирт – это молекула, в которой есть атом углерода с присоединённой к нему OH-группой, и кроме неё данный атом углерода связан только с водородом или другими атомами углерода.

При комнатной температуре этанол жидкий, а не газообразный

При комнатной температуре этан является газом, а этанол – жидкостью. Для сжижения этана его надо охладить до −89 °C, а этанол надо нагреть до 78 °C, прежде чем он закипит и превратится из жидкости в газ. Этан и более крупные углеводороды, входящие в состав нефти, нерастворимы в воде, тогда как этанол и более крупные спирты в воде растворяются. Этан и этанол имеют почти одинаковые размеры и похожие формы. Так почему же этанол, в отличие от этана, растворяется в воде и находится в жидком состоянии при комнатной температуре?

Как уже было кратко отмечено, имеющаяся у этанола гидроксильная группа (OH) привносит два небольших изменения. Атом кислорода несёт частичный отрицательный заряд, а атом водорода – частичный положительный. Схематически это обозначается так: O^δ−−H^δ+ (греческая буква δ «дельта» используется здесь в значении «частичный»). За дельтой следует знак электрического заряда атома. Величина электронной плотности, передаваемая от атома H к атому O, очень мала – много меньше заряда одного электрона, который передаётся в такой соли, как NaCl, где ионы обозначаются Na⁺ и Cl⁻. Связь между кислородом и водородом в основном ковалентная, а не ионная, как в NaCl. Однако частичные заряды на атомах O и H невероятно важны. Они возникают из-за особенностей молекулярных орбиталей, отвечающих за ковалентную связь кислорода и водорода. Эти частичные заряды приводят к тому, что этанол оказывается жидкостью. Если позволить себе лёгкое преувеличение, то можно сказать, что без того же рода частичных зарядов на атомах кислорода и водорода в молекулах воды жизнь не могла бы существовать.

Этанол является жидким, поскольку описанные небольшие изменения приводят к появлению своего рода химических взаимодействий между молекулами, которые называются водородными связями. Водородные связи намного – примерно в десять раз или более – уступают по силе настоящим ковалентным химическим связям. Чтобы точно описать образование водородных связей, необходима квантовая теория, однако получить представление на качественном уровне можно, рассматривая электростатическое взаимодействие между частичными зарядами. Водородная связь образуется, когда частично положительный атом водорода в одной молекуле притягивается к частично отрицательному атому кислорода в другой молекуле. За счёт этого притяжения атом водорода одной молекулы этанола тяготеет к строго определённому положению относительно атома кислорода другой молекулы этанола. Это притяжение удерживает молекулы этанола вместе и делает вещество жидким при комнатной температуре. В этане такого относительно сильного межмолекулярного взаимодействия нет.

Тепло – это форма кинетической энергии. При повышении температуры беспорядочное движение молекул усиливается. В этане молекулы не испытывают сильного притяжения друг к другу. При комнатной температуре тепловые движения не позволяют молекулам этана соединяться, и поэтому этан является газом. Представьте себе, что вы, держа за руки другого человека, побежали с ним в противоположных направлениях. Если ваше рукопожатие слабое, оно разорвётся, и вы разбежитесь, как молекулы этана. Если же вы держитесь очень крепко, то останетесь вместе и станете двигаться, будто связаны друг с другом, как молекулы этанола.

Рис. 15.2. Четыре молекулы этанола связаны в цепочку. Атомы кислорода на этом рисунке изображены тёмно-серыми. Кислород, помимо связанных с ним атомов водорода и углерода, имеет две неподелённые пары. Штриховые линии показывают водородные связи, которые идут от атома H гидроксильной группы одной молекулы этанола к неподелённым парам кислорода другой молекулы этанола

На рис. 15.2 изображены четыре молекулы этанола, соединённые в цепочку водородными связями. Штриховые линии идут от водорода в OH-группе одной молекулы этанола к неподелённой паре на атоме кислорода другой молекулы этанола. Неподелённая пара имеет высокую электронную плотность, так что частично положительный атом H притягивается к электронам неподелённой пары кислорода. Это продолжается от одной молекулы этанола к другой, и так образуется цепочка. Жидкий этанол состоит из цепочек молекул, которые соединяются водородными связями. Водородные связи делают этанол жидким при комнатной температуре, но они относительно слабые. Эти связи постоянно разрушаются и реорганизуются, но в среднем каждая молекула этанола имеет водородную связь (H-связь) с одной или несколькими другими молекулами этанола. Однако если достаточно сильно нагреть этанол, тепловые движения начнут разрушать H-связи, и молекулы будут разлетаться. Температура, при которой тепловой энергии достаточно для разделения молекул этанола, – это и есть точка кипения, равная 78 °C. При этой и более высокой температуре этанол становится газом.

Вода образует водородные связи

Вернёмся к вопросу о том, почему водородные связи необходимы для жизни. Вода (H₂O) имеет очень маленькую молекулу. По молекулярной массе она сравнима с кислородом O₂, азотом N₂ и метаном CH₄, которые при комнатной температуре являются газами. Вода содержит один атом кислорода, связанный с двумя атомами водорода. Как и в случае с этанолом, кислород создаёт ковалентные связи с атомами водорода, но в ковалентной связи O−H электроны делятся не идеально поровну. В молекуле воды кислород перетягивает часть электронной плотности от атомов H. Демонстрирующая это схема молекулы воды выглядит так: H^δ+−O^δ−−H^δ+. Частично положительные атомы водорода одной молекулы воды притягиваются к частично отрицательным атомам кислорода другой молекулы. Одна молекула воды может создать до четырёх водородных связей.

Схематическая иллюстрация водородных связей воды представлена на рис. 15.3. Центральная молекула воды имеет четыре водородные связи с окружающими четырьмя молекулами. Две гидроксильные группы этой центральной молекулы воды связаны водородными связями с двумя атомами кислорода других молекул воды. При этом гидроксильные группы двух других молекул воды образуют водородные связи с атомом кислорода центральной молекулы. В отличие от модели молекулы, представленной на рис. 15.3, водородные связи не ограничиваются этими пятью молекулами. Каждая из четырёх внешних молекул сама создаёт около четырёх связей с другими молекулами воды. В результате получается сеть водородных связей.

Рис. 15.3. Центральная молекула воды связана водородными связями с четырьмя окружающими молекулами воды. Атомы водорода из двух гидроксильных групп центральной молекулы воды связаны с двумя атомами кислорода других молекул, а атом кислорода центральной молекулы воды притягивает две гидроксильные связи двух других молекул воды

Тепла при комнатной температуре довольно много, так что водородные связи между одними молекулами воды постоянно разрушаются и вместо них образуются водородные связи с другими молекулами воды. Поэтому сеть водородных связей не является статичной. Она постоянно трансформируется и реорганизуется. Характерный временной масштаб этой реорганизации водородных связей был измерен при помощи сверхскоростной инфракрасной спектроскопии и составляет примерно 3 пс (1 пс = 10⁻¹² сек)^{25}.

Жизнь основана на химических реакциях, которые протекают в воде. Космический аппарат, отправленный недавно на Марс, ищет не столько непосредственные свидетельства существования в прошлом жизни, сколько признаки существования в прошлом жидкой воды. Жидкая вода имеет настолько фундаментальное значение для существования жизни, что её присутствие является необходимым и, возможно, достаточным для этого условием. Удивительные свойства воды, которые чрезвычайно важны для протекания биохимических реакций, являются следствием строения этой сети водородных связей и её способности к реорганизации. Свойства воды позволяют протекать огромному числу химических процессов, необходимых для жизни. Например, именно в воде происходит фолдинг белков^{26}.

Белки – это очень большие и чрезвычайно сложные молекулы, ответственные за большинство химических процессов в наших телах. Когда белки химически производятся другими белками, то первоначально они не обладают правильной конфигурацией для выполнения своих функций. Они находятся в развёрнутом состоянии. У белков есть участки, которые вскоре образуют водородные связи с водой, и участки, которые больше похожи на углеводороды и не хотят смешиваться с водой. Белок меняет своё строение, складываясь таким образом, чтобы гидрофильные (любящие воду) участки находились снаружи и контактировали с водой, образуя с ней водородные связи, а гидрофобные (избегающие воды) участки располагались внутри, вдали от воды. Такое избирательное взаимодействие с водой – важная движущая сила, помогающая белкам принимать правильную форму, необходимую для выполнения их функций. Именно благодаря тому, что вода может легко реорганизовывать свою сетевую структуру, создавая и разрушая водородные связи, она легко поддерживает структурные преобразования белков и огромное число других химических процессов, которые протекают в живых организмах.

Вода – великий растворитель

Одно из свойств воды – её способность растворять очень широкий набор химических соединений. Мы уже обсуждали, что соль NaCl растворяется в воде с образованием ионов Na⁺ и Cl⁻. Положительные ионы окружены частично отрицательными атомами кислорода воды, а отрицательные ионы – частично положительными атомами водорода воды. Соль растворяется благодаря способности воды хорошо взаимодействовать как с катионами, так и с анионами. Вода также может растворять очень широкий набор органических веществ. Вода не растворяет углеводороды вроде этана, но она растворяет такие органические молекулы, как этанол, содержащий гидроксильную группу (−OH) или другие группы, имеющие слабо или сильно заряженные участки. Вода растворяет этанол, образуя водородные связи с гидроксильной группой этанола. В чистом этаноле водородные связи между молекулами этанола образуют цепочки, изображённые на рис. 15.2. Когда этанол попадает в воду, вода может образовывать водородные связи с гидроксильными группами этанола, включая молекулы этанола в единую сеть водородных связей. Водка, по сути, представляет собой этанол в воде. Вино – это вода с меньшим количеством этанола, чем в водке. Вино также содержит большие органические молекулы, придающие красному вину его цвет, а всем винам – характерные для каждого из них аромат и оттенки вкуса.

Этанол участвует в химических реакциях с кислородом

Если вино слишком долго находится на воздухе, оно портится, превращаясь в уксус. Уксус можно целенаправленно получить путём сбраживания вина. Химические реакции, превращающие вино в уксус, в действительности осуществляются уксуснокислыми бактериями (Acetobacteraceae), которые в присутствии кислорода способны превращать этанол в уксусную кислоту. Этот процесс протекает как последовательность двух химических реакций:

CH₃CH₂OH → CH₃CHO + H₂,

2CH₃CHO + O₂ → 2CH₃COOH.

Сначала этанол (CH₃CH₂OH) превращается в ацетальдегид и газообразный водород (верхняя строка), а затем две молекулы ацетальдегида и одна молекула кислорода (два атома кислорода) превращаются в две молекулы уксусной кислоты, которая и есть уксус. Строение этанола изображено на рис. 15.1, а на рис. 15.4 показано строение ацетальдегида (вверху) и уксусной кислоты (внизу). В ацетальдегиде и уксусной кислоте атом углерода, обозначенный C₁, образует метильную группу. C₁ связан с тремя атомами водорода и атомом углерода C₂. В ацетальдегиде атом C₂ также связан с одним атомом водорода и двойной связью с кислородом.

Рис. 15.4. Ацетальдегид (вверху) и уксусная кислота (внизу). Атомы кислорода изображены в виде тёмно-серых сфер. Атом углерода C ₂ в ацетальдегиде связан с C ₁ , с водородом и двойной связью с кислородом. Атом C ₂ в уксусной кислоте связан с C ₁ , двойной связью с кислородом и одиночной связью с другим атомом кислорода, входящим в состав гидроксильной группы

В общем случае в альдегиде есть атом углерода, соединённый двойной связью с кислородом и одиночными связями с водородом и другим углеродом. Так, в формальдегиде (см. рис. 14.3) вместо связи с другим атомом углерода атом C₂ связан со вторым атомом водорода. Атом C₂ использует три гибридные sp²-орбитали для образования трёх σ-связей и дополнительную 2p-орбиталь для объединения с 2p-орбиталью кислорода и формирования π-связи в составе двойной связи. Как видно из верхнего уравнения химической реакции и строения этанола, показанного на рис. 15.1, этанол превращается в ацетальдегид, избавляясь от двух атомов водорода, что приводит к образованию ацетальдегида и молекулы H₂. Две молекулы ацетальдегида присоединяют каждая по одному атому кислорода из молекулы O₂, и получаются две молекулы уксусной кислоты (внизу на рис. 15.4). В уксусной кислоте атом C₂ связан с двумя атомами кислорода. С одним из них он связан двойной связью, а с кислородом из гидроксильной группы −OH – одиночной.

Уксусная кислота – это органическая кислота, относящаяся к классу карбоновых кислот. Группа −COOH является кислотной. Простейшее определение кислоты – это вещество, которые при попадании в воду приводит к появлению ионов водорода H⁺. Соляная кислота имеет формулу HCl. Как и молекула NaCl, в воде молекула HCl распадается на ионы H⁺ и Cl⁻. Молекула соляной кислоты HCl полностью диссоциирует на ионы. Она классифицируется как сильная кислота, поскольку на каждую молекулу HCl, попавшую в воду, появляется один ион H⁺. H⁺ связывается (через сольватирование) с молекулами воды. Частично отрицательные атомы кислорода в молекулах воды окружают ион H⁺. Реакцию кислотной диссоциации уксусной кислоты в воде можно записать следующим образом:

Группа −COOH – это органическая кислотная группа. Такая группа ионизируется с образованием, как показано, ионов −COO⁻ и H⁺. Согласно схеме, отрицательный заряд привязан к одному из атомов кислорода. В действительности он поровну распределён между обоими атомами кислорода. Это равное распределение изображают на схеме следующим образом:

Пунктирная кривая указывает, что молекулярная орбиталь, содержащая электрон, придающий отрицательный заряд, распределена по обоим атомам кислорода. Каждый из них может рассматриваться как носитель половины отрицательного заряда. Органические кислоты очень хорошо растворяются в воде. Этанол растворим, поскольку кислород из гидроксильных групп имеет небольшой отрицательный заряд, который приводит к образованию водородных связей с молекулами воды. Недиссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с частичными зарядами, которые могут образовывать водородные связи с водой. Диссоциированная уксусная кислота имеет два атома кислорода с половинным отрицательным зарядом, что приводит к эффективному образованию водородных связей с водой.

Органические кислоты, такие как уксусная кислота, являются слабыми. В воде лишь небольшая часть молекул уксусной кислоты ионизируется с образованием иона H⁺ и уксусного аниона. При растворении в литре воды 60 граммов уксусной кислоты ионами становится лишь около 0,4 % молекул. Эта концентрация примерно соответствует обычному столовому уксусу. Именно уксусная кислота придаёт уксусу его характерный вкус. Органические кислоты очень широко распространены в химии и биологии. Все белки состоят из комбинаций 20 аминокислот. До вступления в реакцию образования белка каждая аминокислота относится к определённому виду органических кислот и содержит органическую кислотную группу −COOH.