Ларс Орстрём - Химия навсегда. О гороховом супе, опасности утреннего кофе и пробе мистера Марша

Он обладает всеми этими характеристиками потому, что внутри этого кристалла вы найдете молекулы сахарозы, расположенные одинаково – сверху вниз, слева направо, спереди назад, словно солдаты на параде, лозы в винограднике или апельсины, аккуратно разложенные во фруктовой лавке. Просто их там будет гораздо больше, чем вы можете себе представить.

Если солдаты прибывают на парад неспешно и по одному, им будет легко найти свое место. Но если все они явятся на площадь одновременно, несясь туда бегом со всех сторон из-за того, что они поздно позавтракали (когда я служил в армии, у меня был приятель, отличавшийся таким поведением), им будет трудно образовать четкий военный строй, которого от них ожидают. Возможно, они смогут проследить за движением ближайших соседей, но в целом бардак будет продолжаться до тех пор, пока не явится сержант и криком не призовет их к порядку.

У молекул нет сержантов, они все равны между собой, поэтому, если такой процесс пойдет неправильно в молекулярном мире, дороги назад обычно не бывает. Возьмите красивые кристаллики сахара, растворите их в горячей воде и затем быстро выпарьте воду. Это заставит молекулы снова броситься друг к другу, чтобы образовать единое целое, и вы получите назад свои молекулы сахарозы в твердой форме, но прекрасные кристаллы исчезнут! В зависимости от условий в результате ваших действий может получиться что угодно, от липкой массы до деформированных кристаллов [91] Но хорошие способы вырастить кристалл сахара из водного раствора все же существуют. Проявив немного терпения, поскольку на это уйдет не один день, вы можете провести интересный эксперимент с маленькими детьми, а наградой станет то, что вырастить можно по-настоящему большие кристаллы! . Если вдуматься, на дне вашего кухонного чайника вы тоже не найдете красивых кусочков мрамора, хотя в принципе накипь – этот тот же карбонат кальция, образующийся на нагревательном элементе (в зависимости от вашего места жительства и жесткости воды). Столовую соль легче вернуть в кристаллическую форму, так что очевидно, что это зависит от имеющихся у вас конкретных молекул, но в целом рост кристаллов – это коварная область, в которой существует мало правил и есть лишь ненадежные ориентиры. Именно поэтому некоторые мои коллеги-химики в шутку называют этот процесс «черной магией», но все же другие люди заклинаниями призывают фею кристаллов к действию в своих пробирках.

Рисунок 16.Слева: молекулы сахарозы на параде в кристалле сахара. Для простоты показаны лишь два цикла – один с пятью и второй с шестью атомами. Полная формула выглядит так: (C 6H 11O 5)O(C 6H 11O 5). Справа: упрощенная палочковая схема молекулы сахарозы.

Почему нас так волнуют кристаллы? Потому что они помогают нам видеть молекулы, с которыми мы работаем, – с тех пор как мы около 100 лет назад выяснили, как создавать изображения кристаллов, это очень сильно способствовало развитию химии, медицины и материаловедения. Молекулы, как правило, слишком малы даже для самой причудливой и изощренной современной микроскопии [92] Недавно были получены хорошие изображения плоских молекул, сделанные с использованием сканирующего атомно-силового микроскопа (АСМ), однако большинство молекул, как и сахароза, имеют выраженно неплоскую форму, и их нельзя исследовать подобным образом. Svensson J. A really close look at molecules // Kemivärlden Biotech med Kemisk Tidskrift, 2013. P. 39–41. , но, когда они стоят по стойке смирно внутри кристалла, сам порядок вещей оказывается весьма полезным: расстояния между атомами внутри молекул и между ними повторяются миллионы раз. Среднестатистический кристаллик сахара содержит около 10 18молекул – 1 квинтиллион, или то же количество, что и в решении знаменитой задачи о зернах на шахматной доске [93] Довольный правитель попросил изобретателя шахмат назвать вознаграждение, которое тот хотел бы получить, и изобретатель ответил, что он хочет одно зернышко риса на первой клетке доски, два – на второй и точно так же удваивающееся количество на каждой следующей клетке вплоть до шестьдесят четвертой. .

Если мы направим узкий рентгеновский луч на кристалл, фотоны луча станут отталкиваться от атомов, с которыми будут сталкиваться, – или, вернее, от их электронов. Некоторые на поверхности, некоторые в первом слое, некоторые в следующем и так далее. Если поместить позади кристалла фотографическую пластину (или еще какой-нибудь чувствительный элемент), в его центре мы увидим большое пятно от луча, который проходит через кристалл, а также более бледные пятна вокруг него. Эти смещенные от центра пятна возникают от фотонов, которые по пути столкнулись с атомом. Из-за того, что световые волны прошли разные расстояния, максимумы и минимумы волны (своеобразные «пики» и «ущелья») теперь находятся не там же, где у лучей, которые отражались от верхнего слоя и слоя, следующего за ним, и которые преодолели чуть большее расстояние.