Текст уведомления здесь

Нобелевская премия за двойку

Невозможные вещества, которые химики тем не менее создали

Химия в школе весьма сложный для большинства предмет. Тем более, знания самих учителей были актуальны лет 20—30 назад. С тех пор химики научились получать вещества, за которые любому из нас гарантированно поставили бы двойку. «Чердак» представляет хит-парад «неправильных» и «невозможных» с точки зрения школьной программы веществ.
Добавить в закладки
Комментарии
Красный натрий, неправильная соль и агрессивный гелий

Российский химик Артем Оганов, руководящий лабораторией в МФТИ, судя по всему, станет главным символом «борьбы» со школьной программой. Разработанный им метод предсказания новых соединений USPEX позволяет создавать вещества, которые доведут до обморока любого учителя химии
, если, конечно, он не читает «Чердак».

Взять, например, натрий — эталон металла. Мягкий, с серебристым блеском. Бурно реагирует даже с водой, любому окислителю легко отдает свой единственный электрон на внешней орбите. Когда метод Оганова предсказал, что при очень высоких давлениях это вещество станет прозрачным неметаллом, да еще и красного цвета, не то что школа — авторитетнейший журнал Nature отказался публиковать это предсказание. Правда, когда через несколько недель экспериментаторы таки получили удивительное вещество, журналу пришлось признать свою ошибку и опубликовать статью — теперь уже не только о предсказании, а заодно и о получении уникального вещества.

Оттуда же, из школьного учебника химии, хорошо известно, что «самая классическая» соль — это хлорид натрия, NaCl, она же поваренная соль. Один атом натрия в ее кристалле приходится на один атом хлора, и никак иначе: натрий полностью отдает электрон, хлор — забирает, получаются два иона, из которых и строится кристаллическая решетка. Других пропорций быть не может. По крайней мере, так казалось до прихода в химию Оганова. Он предсказал, а экспериментаторы подтвердили, что при давлениях в сотни тысяч атмосфер могут существовать совершенно «сумасшедшие» формулы хлорида натрия: NaCl_7, NaCl_3, Na_3Cl_2, Na_2Cl и Na_3Cl. Некоторые из них обладают совсем уникальными свойствами — в них есть двумерные слои атомов натрия, проводящие ток.

Но, пожалуй, жестче всех поиздевался над школьной химией один из студентов Оганова, Шао Донг, который решил доказать, что самый инертный, принципиально ни с чем не реагирующий элемент гелий вполне себе реакционноспособен — важно только правильно подобрать условия. Если мы напишем любое соединение гелия в школьной контрольной, то двойка — это будет слишком много. А Донг при помощи метода USPEX просчитал почти всю таблицу Менделеева и доказал, что гелий может реагировать… с натрием! Образуется устойчивое соединение Na_2He. Правда, оно «живет» при давлениях больше миллиона атмосфер, но недавно химики получили соединение Na_2HeO, которое устойчиво и при куда меньшем давлении — всего 150 тысяч атмосфер. Подобные условия уже можно получить в промышленности. Соединение кислорода, гелия и натрия можно использовать для хранения и транспортировки гелия без утечек.

Молекулы без химических связей

Что такое молекула вообще? Это крошечный объект, в котором атомы особым образом соединены друг с другом. Эти соединения называются химическими связями. B школе мы учим разные типы связей — ковалентные (полярные и неполярные), ионные… Если сказать учителю, что можно соединить разные части молекул вообще без химической связи, «неуд» обеспечен. А между тем такие вещества существуют — химики получили их несколько десятилетий назад.

Во-первых, это карцеранды, которые впервые синтезировал нобелевский лауреат по химии 1987 года Дональд Крам. В названии чудится слово «карцер», и это не случайно: карцеранды — это тюрьма на одну молекулу. «Невозможные» вещества представляют собой большую молекулярную клетку, внутри которой находится, например, большой атом инертного газа или маленькая молекула. Она никак не связана с клеткой, но выбраться не может.

Во-вторых, это удивительные соединения под названием катенаны и ротаксаны. Первые представляют собой две или больше замкнутых в кольцо цепочки атомов, при этом кольца продеты друг в друга, подобно звеньям цепи. Собственно, «катена» (catena) по латыни и означает «цепь». Связи — нет, а разнять кольца не получается. В последние годы химики настолько наловчились получать эти вещества, что синтезировали олимпиадан. Да-да, в нем пять колец, сцепленных, как в символе олимпийского движения.

Модель катенана. Изображение: M Stone с сайта wikipedia.org


С ротаксанами все проще: они состоят из длинной цепочка атомов, которую продевают в такое же кольцо, как у катенанов, после чего на концы цепочки навешивают массивные группы атомов, которые не дают кольцу соскочить с оси. Такие колеса на палочке не досужие игры химиков-органиков, а детали будущих нанороботов размером с большую молекулу.

Модель ротаксана. Изображение: M Stone с сайта wikipedia.org


Непрямые банановые связи

С точки зрения классической химии, обычная химическая связь, особенно между атомами углерода, — прямая. Электроны, при помощи которых образуется связь, движутся вдоль линий, которые соединяют центры атомов. Это естественно и понятно на интуитивном уровне. Однако существует давным-давно известное вещество, когда-то популярный наркоз, которое нарушает «естественное» правило. Это циклопропан, в котором три атома углерода соединены в равносторонний треугольник, углы которого равны 60 градусам. Но с первых уроков органической химии нам вдалбливают, что угол между связями в углероде равен 109 градусов 28 минут! Получается, в циклопропане связи «стянуты» друг к другу, как согнутая в лук ветка дерева. И со связями у него та же история: траектории движения электронов выгибаются наружу от сторон треугольника, который образуется атомами углерода. Снова получается натянутый лук. Хотя химики назвали такие связи не луковыми, а банановыми.

Плоский атом углерода

Когда мы приходим на урок органической химии, нам тут же рассказывают об уникальности атома углерода: его атомы могут соединяться друг с другом в длинные цепочки, а четыре связи, которые образует углерод, направлены к вершинам тетраэдра (мы уже говорили об этом в главе про банановые связи). Самый простенький тетраэдр — метан, CH_4, потом тетраэдры соединяются друг с другом, образуя все более сложные вещества вплоть до ДНК. Если на контрольной нарисовать атом углерода, в котором все четыре связи лежат в одной плоскости, образуя крест, пересдача вам гарантирована.

Между тем именно о таком атоме мечтали химики-органики десятилетиями. Они даже придумали гипотетическое вещество из девяти атомов углерода, которое назвали фенестран (от латинского «фенестра» (fenestra) — окно). Теория предсказывала, что центральный атом углерода в нем мог быть только плоским, но синтезировать фенестран в реальности не получалось. Однако органики — люди упрямые, и совсем недавно, в 2010 году, британским ученым (да, снова им!) удалось создать вещество с неприглядным названием дилитий-метандиид, в центре которого — тот самый плоский атом углерода. Правда, чтобы «расплющить» углерод, его пришлось связать с двумя атомами лития. Пока фенестраны в основном игрушка для органиков, хотя их можно использовать, например, для изучения экстремальных состояний атома углерода.

Фенестраны. Изображение: V8rik с сайта wikipedia.org


Четверная связь

Еще одно важное знание, вынесенное из курса органической химии, касается связей внутри молекул: они могут быть одинарными, двойными и тройными. Связей более высокого порядка не бывает — и точка. Если мы вспомним, что, например, сера бывает шестивалентной, и нарисуем шестерную связь S-S, то остракизм от учителя гарантирован. И в этом конкретном случае учитель, пожалуй, будет прав. Конкретно сера шестерную и даже четверную связи образовать не может. Но тем не менее связи высокой кратности бывают!

Например, в веществе с простой формулой {[Re_2Cl_8]}^{2-} и сложным названием «октахлородиренат-анион». В этом ионе два атома рения связаны друг с другом именно четверной связью. Существуют четверные связи и в соединениях молибдена, вольфрама, хрома и ванадия. Так что даже в «простой» неорганической химии все не так однозначно.

Это далеко не полный список «невозможных» с точки зрения школьной химии веществ. Более того, этот список пополняется каждый год, так что вскоре стоит ждать новых удивительных молекул, попирающих (а на самом деле подтверждающих) законы привычной химии.
Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы