Молекулярные кристаллы
Кристалл меди (который был рассмотрен в качестве примера вещества определенного вида) построен из упорядоченно расположенных атомов. Теперь перейдем к обсуждению кристаллов, содержащих отдельные группы атомов (обособленные группы), называемые молекулами. Такие кристаллы носят название молекулярных кристаллов.
Пример молекулярного кристалла приведен в верхней левой части рис. 2.11; на рисунке схематически показано строение кристалла черновато-серого твердого вещества — иода. Хорошо видно, что атомы иода сгруппированы попарно и образуют двухатомные молекулы. В этом и в последующих разделах иод будет использован в качестве примера, поскольку его молекулы просты (содержат лишь два атома), а также потому, что он тщательно изучен учеными.
Расстояние между двумя атомами иода в молекуле этого молекулярного кристалла меньше, чем расстояние между атомами иода, входящими в состав разных молекул. Два атома иода, образующие молекулу, находятся на расстоянии всего 270 пм, в то время как минимальное расстояние между атомами иода, принадлежащими разным молекулам, составляет 354 пм.
Силы, действующие между атомами в молекуле, очень большие, а силы взаимодействия между отдельными молекулами слабые. В результате этого изменить форму молекулы трудно, тогда как повернуть молекулу относительно другой сравнительно легко. Так, под давлением кристалл иода уменьшается: молекулы можно сблизить, при этом межмолекулярные расстояния уменьшаются на несколько процентов; однако сами молекулы сохраняют свои первоначальные размеры и никаких заметных изменений межатомных расстояний в молекуле не наблюдается. Если кристалл иода, находящийся в условиях низкой температуры, нагреть, то он расширится, и, таким образом, каждая молекула будет занимать больше места в кристалле; но при этом расстояние между двумя атомами иода в одной молекуле останется очень близким к нормальному значению 270 пм.
Молекулы различных химических веществ содержат разное число атомов, тесно связанных между собой. Пример более сложной молекулы, чем молекула иода, приведен на рис. 2.12, где показана часть кристалла нафталина. Молекула нафталина состоит из десяти атомов углерода, образующих два шестичленных кольца с одним общим ребром, и из восьми атомов водорода. Нафталин довольно летучее вещество с характерным запахом. В виде шариков и таблеток его используют в качестве репеллента — средства против моли. Свойства нафталина обусловлены строением его молекул.
Фотографии молекул, полученные при помощи электронного микроскопа
Не так давно появилась возможность видеть и фотографировать молекулы. Они слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом при освещении обычным светом, который не позволяет различать объекты диаметром меньше длины волны света, приблизительно равной 500 нм*.
Рис. 2.11. Кристаллический, жидкий и газообразный иод; показаны двухатомные молекулы I2.
Был сконструирован электронный микроскоп, позволяющий видеть объекты, в тысячу раз меньшие в диаметре. В нем используется пучок электронов вместо луча света; достигается линейное увеличение примерно 1000 000, тогда как обычный микроскоп увеличивает в 1000 раз. Таким образом, электронный микроскоп позволяет видеть объекты диаметром до 500 пм.
Рис. 2.12. Схематическое изображение участка кристалла нафталина; показаны молекулы C10H8.
Рис. 2.13. Электронная микрофотография кристаллов белка одного из вирусов некроза растений; на снимке видно упорядоченное расположение отдельных молекул. Линейное увеличение:×65 000. [From R. W. G. Wyckoff].
Рис. 2.14. Электронная микрофотография одного слоя молекул вируса кустистой карликовости томатов. Этот снимок сделан с дополнительной контрастностью, полученной благодаря наложению на образец под небольшим углом очень тонкого слоя золота, в результате чего создается впечатление теней от молекул. Линейное увеличение:×55 000. [From Price, Williams and Wyckoff, Arch. Biochem., 7, 175 (1946)].
На рис. 2.13 и 2.14 воспроизведены два снимка, полученные при помощи электронного микроскопа. На них показаны молекулы вируса, вызывающего заболевание томатных растений. Диаметр каждой такой молекулы вируса «кустистой карликовости» равен приблизительно 23 нм. Молекула этого вируса состоит примерно из 750000 атомов. Молекулы вируса «некрии» (отмирания тканей) несколько меньше — их диаметр достигает примерно 19,5 нм. На обеих фотографиях ясно видны отдельные молекулы.
* Нанометр (нм) равен 10-9 м.