В предыдущей главе вы узнали, что атомы являются строительными блоками буквально всего во Вселенной. Но как эти блоки собираются вместе и формируют объекты? Например, компьютер? Или салатный соус? Или ледяное пиво?

С помощью электронов.

Если два или более атома соединяются, то образуется связь и происходит обмен или передача электронов. Связь могут иметь молекулы или сложные вещества. Отдельный атом никогда не станет молекулой или сложным веществом, потому что он всегда остается просто «атомом».

Но прежде чем мы перейдем к химическим реакциям, вам важно понять, что очень часто химики называют совокупность молекул «видом», «веществом» или даже «системой». Эти термины являются синонимами и обозначают одно и то же – совокупность молекул. Итак, когда я говорю о виде, вы должны понимать, что я имею в виду совокупность молекул. А когда я говорю о молекуле, то тут уже все и так понятно. Круто? Круто.

Сформированные между атомами связи увидеть очень легко, если понимать, что искать и куда смотреть: например, как соль растворяется в океане или как маска для лица «растворяет» комедоны. Атомы притягиваются друг к другу, и в этом они очень похожи на нас, людей! Так как протоны обладают положительным зарядом, а электроны – отрицательным, происходит нейтрализация (а это именно то, к чему стремятся все атомы).

Когда атомы находятся рядом друг с другом, они испытывают взаимное притяжение. Поскольку электроны располагаются снаружи атома, а протоны – внутри, то происходит два притяжения.

Пример: у нас есть два атома, атом А и атом В. Электроны атома А будут притягиваться к протонам атома В, а электроны атома В – к протонам атома А. Единственное, что может помешать электронам и протонам соединиться, так это то, что электроны двух атомов будут отталкивать друг друга.

Атомы могут не образовать связь, если они будут находиться слишком близко друг к другу. Если в кофейне о вас начнет тереться незнакомец, вы оттолкнете его, верно? Когда незнакомец вторгается в наше личное пространство, мы всегда стараемся создать дистанцию – нам просто будет так комфортнее. Иногда это означает, что нам нужно встать и уйти; у атомов этот процесс происходит точно так же. Если электроны одного атома находятся слишком близко к электронам другого, то они отталкиваются друг от друга и отдаляются на некоторое расстояние.

В конце концов, два атома могут находиться на идеальном расстоянии, при котором притяжение между электронами и протонами будет сильнее отторжения между двумя видами электронов. Проще говоря, притяжение между протоном и электроном достигнет своего максимума, а отторжение между электронами – минимума. Когда происходит такая ситуация, может образоваться связь.

Давайте представим, что вы и незнакомец из кофейни находитесь на комфортном расстоянии и заводите разговор. Если вас притягивает друг к другу, вы перейдете на следующую ступень: установление постоянной связи. Вероятно, вы встретитесь еще пару раз за чашечкой кофе или обменяетесь номерами телефонов. Но так как мы все-таки говорим о соединении атомов, то представим, что на следующей ступени они берутся за руки.

Когда атомы «берутся за руки», они образуют связь. По сути, связь в химии – это соглашение между двумя атомами. Теперь они будут всегда вместе, до тех пор, пока не появится более привлекательный атом. Представим, что я держусь за руки с прекрасным незнакомцем, и я буду делать это до тех пор, пока в помещение не войдет Райан Рейнольдс. Тогда я отпускаю руку того прекрасного незнакомца и бросаю его, чтобы установить «лучшую» связь. То же самое происходит с атомами.

Но есть небольшое различие. Я могла бы уйти в закат с Райаном Рейнольдсом и быть той же самой Кейт, которая недавно вошла в кофейню, и той же девушкой, которая держала за руку незнакомца. Ни Райан, ни незнакомец не забрали мою руку или ногу, верно? К сожалению, у атомов А и В не всегда все проходит так мирно.

В отличие от меня и незнакомца, когда два атома решают соединиться друг с другом, они перестают существовать как два отдельных, независимых атома. Когда они образуют связь, сразу же происходит обмен электронами. Поэтому иногда после распада связи атом А может иметь один или два электрона атома В.

Но когда атомы остаются вместе, мы стараемся проанализировать, насколько равномерно электроны распределяются между ними. И чтобы сделать это, нам нужно изучить характер атома, исследовать его состав. Самый простой способ сделать это – классифицировать атом как металл или неметалл. К счастью, отличить два этих типа друг от друга очень просто как в лаборатории, так и в обычной жизни.

Для начала, если металлы очистить, то они очень красивые. Металлы, например золото, кобальт или платина, блестят: они обладают способностью отражать падающий на них свет. К тому же большинство металлов имеют свойства ковкости и пластичности, благодаря чему они идеальны для изготовления ювелирных украшений. (Мы используем эти термины для описания металла, форму которого можно изменять.) Металлы также обладают высокой теплопроводностью, о чем вы, скорее всего, уже знаете: вы обожжетесь, если прикоснетесь к горячей кастрюле на плите. А кроме того, высокой электропроводностью. Это означает, что электроны большинства металлов могут перемещаться между металлами практически без сопротивления. Именно поэтому стоять во время грозы с зонтом – не самая лучшая идея. Металл, из которого обычно делается ручка (а также верхняя часть зонта), притягивает к себе молнию. А так как металлы хорошо проводят электрический ток, то именно из-за электронов люди умирают от удара током. С другой стороны, мы очень часто пользуемся этим свойством металлов, например, когда делаем аккумуляторы для телефонов.

Металлы с легкостью отдают свои электроны другим атомам, но при этом они редко образуют связи, в которых им нужно принимать чужие электроны. Металлы очень похожи на Санта-Клауса: он очень любит дарить подарки, но не любит их получать! (К сожалению, у атомов нет эквивалентов молока и печенья.) При объединении с другим металлом они должны принять чужой электрон; поэтому они стараются избегать подобных связей.

Элементы из группы неметаллов не отражают свет, непластичны и не обладают ковкостью. Термин «ковкость» используется в том случае, если вещество (обычно это металл) можно вытянуть в тонкую проволоку. Но что определяет неметаллы? Ну, они не являются металлами. (Да-да, я знаю, что это очевидно.) Большинство твердых неметаллов не блестят. Газообразные неметаллы в основном бесцветны, а это значит, что мы даже не можем увидеть эти элементы или сделать из них украшения.

Что вам еще нужно знать о неметаллах? Они обладают плохой тепло- и электропроводностью. Электроны с трудом двигаются в подобных элементах, так что многие из неметаллов инертны. (Вот почему все инертные газы, о которых я рассказала вам в прошлой главе, не вступают в химические реакции.) Проще говоря, их электроны не могут переходить от одного атома к другому так же легко, как у металлов.

Большинство неметаллов располагаются в верхнем правом углу периодической таблицы, начиная с углерода в четвертой группе и так по восьмую. В периодах ниже углерода неметаллы располагаются выше диагонали кремний – астат.

Металлов в пять раз больше, чем неметаллов, но при этом 99 % всего во Вселенной состоит из водорода и гелия – неметаллов! Другой неметалл – газообразный кислород – очень важен для выживания человечества. Самое интересное, что некоторые неметаллы стабильны, а некоторые – невероятно реакционноспособны.

Возможно, вам интересно, почему я так много времени уделяю металлам и неметаллам. Дело в том, что состав атома (это металл? или нет?) – первое, что необходимо понять перед определением того, какой тип связи образуется внутри молекулы того или иного элемента. В химии есть два основных вида связи: ковалентная и ионная.

Давайте начнем с ковалентной.

Простейшая форма ковалентной связи – это одинарная связь. Она образуется в том случае, если между двумя атомами есть одна общая электронная пара. По правде говоря, все ковалентные связи образуются тогда, когда у двух атомов появляются общие электронные пары. При одинарной связи каждый атом отдает по одному электрону. Давайте вернемся к предыдущему примеру и рассмотрим связь, которую я установила с Райаном Рейнольдсом.

Представим, что Райан левой рукой держит меня за правую руку. Между нами есть два электрона, и мы находимся на расстоянии вытянутой руки. На таком расстоянии я начинаю чувствовать, что мои «электроны» притягиваются его «протонами». И тут Райан решает образовать двойную связь: он поднимает свою свободную правую руку и берет меня за мою левую. Теперь мне нужно немного повернуться, чтобы нам было удобно. Расстояние между мной и Райаном сокращается; теперь мы стоим лицом к лицу. Наша «связь» стала крепче, так как между нами образовалось две связи. (Отсюда и происходит название «двойная связь».)

Двойная связь намного прочнее одинарной, а из-за расположения электронов атомы могут находится близко друг к другу. При двойной связи между двумя атомами располагаются четыре электрона: по одному в каждой «руке».

Чтобы образовать тройную связь, Райану нужно будет обхватить меня ногой (только не рассказывайте моему мужу!). Тройная связь позволяет атомам находиться невероятно близко друг к другу. Теперь мы с Райаном образовываем три связи: по связи на каждую пару рук и еще одна в том месте, где он обхватывает меня ногой. У нас есть три общих места, где мы обмениваемся электронами.

Немного математики: у нас есть три связи, в каждой связи – два электрона. Получается, что у нас есть шесть электронов, общих для двух атомов. Это одна из причин, почему тройная связь обладает большой прочностью и почему ее так сложно разорвать. К тому же в тройной связи атомы располагаются ближе друг к другу, так как у них есть шесть общих электронов.

Одинарные, двойные и тройные связи являются самыми распространенными типами связей в ковалентных молекулах. Вы взаимодействуете с ними постоянно. Например, они есть в вашем шампуне, зубной пасте или даже кружке утреннего кофе – а еще в вашей одежде, косметике и дезодоранте. Чуть позже я расскажу о том, что ковалентные связи постоянно окружают нас, где бы мы ни находились. Осмотритесь: большинство вещей возле вас содержат ковалентную связь. А я даже не знаю, где вы сейчас! Вот настолько распространены ковалентные связи в нашем мире.

Ученые определяют ковалентные связи по тому, как атомы делят электроны. Распределение происходит равномерно? Или один из атомов постоянно забирает себе все электроны? Если два атомы распределяют электроны поровну, то связь называется чисто ковалентной. Она может образоваться только в том случае, если электроны атома А притягиваются к протонам атома В так же сильно, как и электроны атома В притягиваются к протонам атома А.

Возможно, вам будет чуть проще, если вы начнете думать о чисто ковалентных связях как о романтических отношениях. Я могу установить чисто ковалентную связь только в том случае, если мое сердце будет притягиваться к телу другого человека, а его сердце будет притягиваться к моему телу. Как сильно его внутренности будут притягиваться к моей внешности? Если притяжение с обеих сторон одинаковое, то образуется чисто ковалентная связь.

Однако, как и в любви, очень редко случается так, чтобы между атомами было совершенно одинаковое притяжение. Большинство притяжений не сбалансированы. Когда атомы притягиваются друг к другу с разной силой, это уже не чисто ковалентная связь. Такая связь называется полярной ковалентной. Давайте немного поговорим об электрических силах в притяжении – и нет, я говорю не о пробегающей искре между вами и очень милым незнакомцем. С помощью электроотрицательности химики определяют, как сильно электроны атома А притягиваются к протонам атома В. Полярные ковалентные связи образуются в том случае, когда два атома обладают разной электроотрицательностью; при этом в чисто ковалентной связи электроотрицательность атомов одинаковая.

Ну как, вы все еще держитесь? Отлично. Напомню, что в чисто ковалентной связи два атома в равной степени обмениваются электронами. Однако в полярной ковалентной связи один из атомов притягивается сильнее другого. Как правило, ученые знают, какой электроотрицательностью обладает тот или иной атом. Все это можно найти в периодической таблице. Атомы с высокой электроотрицательностью расположены в верхнем правом углу рядом с фтором, кислородом, азотом и хлором. Эти четыре атома привлекают другие. Например, самые электроположительные атомы – которые практически не притягивают к себе – расположены в верхнем левом углу периодической системы. К ним, например, можно отнести литий, бериллий, натрий и магний.

Химики хотят выяснить, какой атом обладает большей электроотрицательностью внутри полярной ковалентной связи, так как им важно понимать, к какому атому притягиваются электроны. Положение электронов внутри молекулы определяет ее поведение с другими молекулами. Не забывайте, что химики обожают предсказывать результаты химических реакций.

Многие химики считают молекулы с равномерным распределением электронов скучными, ведь они, как правило, не вступают в реакции и взаимодействуют только с точно такими же молекулами, у которых электроны внутри распределены равномерно. Молекулы с неравномерным распределением электронов отличаются высокой реакционной способностью. И химики вроде меня обожают работать с такими, ведь такие молекулы предпочитают взаимодействовать с другими реакционноспособными молекулами.

А теперь давайте представим, что в периодической таблице указано, что Райан Рейнольдс в связи со мной является менее привлекательным партнером (он электроположительный). Так как я электроотрицательнее его, можно предположить, что в скором времени валентные электроны Райана попытаются покинуть его тело и встроиться в мое. Электроны через ковалентную связь в наших руках будут перемещаться сначала от его руки к моей, а затем вверх, пока не достигнут моих плеч. Тогда они останутся в моем теле до тех пор, пока связь не разрушится. В момент разрушения связи эти электроны могут либо покинуть мое тело, либо остаться со мной навсегда.

Давайте рассмотрим такое взаимодействие в реальности. Когда между углеродом и фтором образуется связь (C – F), ученые первым делом смотрят в периодическую таблицу. Очень важно определить, какой атом будет более электроотрицательным. (В данном случае более электроотрицательным будет фтор.) Из этого мы понимаем, что валентные электроны углерода переместятся к фтору через образованную ковалентную связь.

Так как электроны с большей электроотрицательностью забирают большую часть электронов в связи, очень часто им присваивается символ «частичного» негативного заряда (δ—). Электроотрицательный электрон притягивает электроны, поэтому обладает частично негативным зарядом. Как вы уже понимаете, электроположительный атом, только что потерявший часть своих электронов, будет иметь частично положительный заряд (δ+). Слово «частично» указывает на то, что электроны не до конца распределились между атомами – обычно это происходит в ковалентных связях («руки» атомов).

Все это прямо противоположно связям, образующимся между металлами и неметаллами. Связь металл – неметалл возникает точно так же, как и ковалентная: атомы находятся достаточно близко друг к другу и между ними появляется притяжение. Но, в отличие от ковалентных связей, такой тип связи образуется только в том случае, если электроны передаются от одного атома к другому. А точнее, когда металл передает свой электрон неметаллу. В момент передачи образуется ионная связь.

Очень важно понимать, что при образовании ионной связи атомы не имеют общих электронов. Они передают свои электроны, из-за чего образуется положительный ион металла и отрицательный ион неметалла (в отличие от частичных зарядов в ковалентных связях). Всегда помните, что противоположности притягиваются, из-за чего катион металла будет невероятно сильно тянуться к аниону неметалла.

Если ковалентную связь можно сравнить с двумя людьми, состоящими в здоровых отношениях, где любовь дают и принимают, то ионную связь можно сравнить с отношениями, где один только дает, а другой – только забирает. Ионная связь является односторонней, так как катион (с меньшим количеством электронов) всегда отдает, а анион (с бо́льшим количеством электронов) всегда принимает.

Как и ковалентные, ионные связи постоянно вокруг нас. Например, столовая соль образована с помощью ионной связи между атомом натрия и атомом хлора. Когда натрий (металл) отдает свой электрон хлору (неметалл), атом хлора становится анионом, а атом натрия – катионом. В столовой соли хлор – это «принимающий» партнер, а натрий – «отдающий».

Теперь, когда вы понимаете основы образования ковалентных и ионных связей, давайте перейдем к более интересным вещам.

Для записи атомов в молекуле мы используем молекулярные формулы. Есть два типа формулы: структурная и сокращенная. Большинство людей знакомы с сокращенной молекулярной формулой, из которой понятно, какие атомы находятся в молекуле и в каком соотношении.

Давайте поговорим о H₂O. Вода имеет два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее сокращенной молекулярной формулой будет H₂O. Индекс два после водорода указывает на то, что вода состоит из двух атомов водорода. В сокращенных молекулярных формулах индекс всегда пишется после атома, к которому он относится.

Однако из сокращенной молекулярной формулы непонятно, какие связи образованы внутри молекулы. Если вы посмотрите на молекулярную формулу H₂O, то можете (неверно) предположить, что молекула выглядит вот так: H – H – O. Может показаться, что два атома водорода связаны друг с другом; однако на самом деле молекула воды образуется в том случае, когда каждый атом водорода связан с атомом кислорода, и выглядит вот так: H – O – H. Вы не можете просто посмотреть на H₂O и сразу же определить, как связаны между собой атомы водорода и кислорода (конечно, если вы не сильны в химии).

Мы, химики, используем формулу другого типа – структурную молекулярную, чтобы обозначить расположение атомов в молекуле. Так как каждый атом водорода связан с атомом кислорода, его структурная формула выглядит вот так: HOH. Из этой формулы понятно, что водород А связан с атомом кислорода, который также связан с водородом В: H – O – H. Но как понять, какую формулу нужно использовать? Это зависит от обстоятельств.

Химики предпочитают структурные формулы, поскольку из них можно извлечь больше полезной информации. Однако при работе с молекулой, содержащей громадное количество атомов, нет смысла составлять структурную формулу, ведь она получится длинной, сложной и неудобной. Следовательно, самым распространенным способом записи молекулы будет сокращенная молекулярная формула.

Помните, я как-то говорила, что в двойных и тройных связях расстояние между атомами должно быть небольшим? Все из-за того, что молекулы имеют уникальную форму. Возможно, вы удивитесь, если я скажу, что форма молекулы не определяется атомами, из которых она образована. На самом деле ее форма зависит от того, чем одержимы все химики. От электронов.

Еще в 1950-х годах два химика, Рональд Гиллеспи и Рональд Синдей Найхолм, заметили некоторые закономерности в форме молекул. Неудивительно, что они быстро определили зависимость формы молекулы от расположения электронов в пространстве, а не от идентификации атомов. В 1957 году Гиллеспи и Найхолм опубликовали теорию ОЭПВО (теория отталкивания электронных пар валентной оболочки), благодаря которой можно было с точностью предсказать геометрическую форму любой молекулы, зная количество и расположение электронов.

Например, мы знаем, что молекула с двумя атомами имеет линейную форму. Не существует другого способа объединения двух атомов с помощью одной связи. Все молекулы с двумя атомами будут иметь линейную форму, вне зависимости от того, из каких атомов они состоят.

Угарный газ – это классический пример двухатомной молекулы. Углерод и кислород создают тройную связь между своими атомами, а поскольку атомов всего лишь два, молекула имеет линейную форму. Однако этот прозрачный, не имеющий запаха газ очень опасен для человека, а также легко воспламеняется. Когда вы вдыхаете угарный газ, его крошечная молекула связывается с гемоглобином в вашей крови и заменяет собой молекулы кислорода. Вот поэтому большое количество «тихого убийцы» может быть смертельным.

Благодаря экспериментам Гиллеспи и Найхолм смогли «подогнать» теорию ОЭПВО под молекулы с любым количеством атомов. Основную идею, на которой строится эта теория, вы уже поняли: одни электроны всегда будут отталкивать другие.

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 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 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?