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

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