Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

2. Молекулы состоят из атомов, которые соединяются в определенных отношениях.

3. Атомы и молекулы находятся в постоянном самопроизвольном движении.

4. Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов (O 2, O 3, P 4, N 2 и т. д.); молекулы сложных веществ — из разных атомов (H 2O, HCl).

5. В ходе химических реакций происходит изменение состава молекул и перегруппировка атомов, в результате чего образуются молекулы новых соединений.

6. Свойства молекул зависят не только от их состава, но и от способа, которым атомы связаны между собой.

Современная наука развила классическую атомно-молекулярную теорию и пересмотрела некоторые ее положения. Так, ученые установили, что атом не является неделимым бесструктурным образованием и что далеко не во всех случаях частицы, образующие вещество, представляют собой молекулы. Многие химические соединения (например, соли) в твердом и жидком состоянии состоят из ионов — частиц, в которых общее число положительных протонов не соответствует общему числу отрицательных электронов, что обеспечивает им определенный заряд. Такие вещества, как инертные газы, состоят из отдельных атомов, слабо взаимодействующих между собой даже в жидком и твердом состояниях. А химически чистая вода образована не только отдельными молекулами H 2O, но и полимерными молекулами (H 2O) × n ; одновременно в ней присутствуют ионы H+ и OH‒. Наконец, при нагревании до тысяч и миллионов градусов вещество переходит в особое состояние — плазму, которая представляет собой смесь атомов, положительных ионов, электронов и атомных ядер.

Согласно квантово-механическим представлениям, у атомов в молекуле более или менее неизменным остается только остов, то есть ядро и внутренние электронные оболочки, тогда как характер движения внешних (валентных) электронов коренным образом меняется так, что образуется новая, молекулярная электронная оболочка, охватывающая всю молекулу. Поэтому неизменных атомов в молекулах нет.

Невзирая на все уточнения и дополнения, современная наука сохранила рациональное зерно классического атомно-молекулярного учения: идеи о дискретном строении вещества, о способности атомов соединяться между собой в новые, более сложные образования, а также о непрерывном движении частиц, составляющих вещество.

Фуллерен — это молекула, которая представляет собой замкнутую сферу, состоящую из 60 атомов углерода. Теоретически фуллерены были предсказаны задолго до их экспериментального получения.

В 1966 г. Дэвид Джонс предположил, что внедрение пятиугольных дефектов в графитовый слой, состоящий из правильных шестиугольников, может превратить этот плоский слой в полую замкнутую структуру. В 1971 г. японский физик Э. Осава исследовал возможность существования такой структуры, однако результаты опубликовал лишь в журнале Kagaku («Химия»), который выходит исключительно на японском языке. Именно из-за языкового барьера его работа не была известна научному сообществу вплоть до экспериментального открытия С 60.

В СССР в 1971 г. впервые был проведен квантово-химический расчет стабильности и электронной структуры фуллерена. Директор Института элементоорганических соединений РАН, академик А. Несмеянов, предложил заведующему лабораторией квантовой химии Д. Бочвару исследовать полыеуглеродные замкнутые структуры, в которые могут быть помещены атомы металлов, и тем самым изолировать их от воздействия окружающей среды. Бочвар подключил к этой работе своих сотрудников Е. Гальперн и И. Станкевича и первым делом исследовал стабильность молекулы C 20, которая имеет форму додекаэдра и носит название «карбододекаэдр». Однако размер такой молекулы оказался настолько мал, что внедрить в нее атомы металла было просто невозможно. К тому же результаты расчетов показали, что такая структура должна быть нестабильной. Работа приостановилась, и Станкевич, будучи заядлым футболистом, предложил другую возможную замкнутую структуру из углерода С 60, форма которой — симметричный усеченный икосаэдр — очень напоминает футбольный мяч. Притащив в лабораторию такой вот мяч, Станкевич заявил Гальперн: «Лена, 22 здоровых мужика часами пинают этот мяч, и с ним ничего не делается. Молекула такой формы должна быть очень крепкой».

Квантово-химический расчет крошечной, но сложной по структуре молекулы оказался почти непосильной задачей для компьютеров того времени, однако ученые все-таки провели его и убедились, что С 60 является стабильной молекулой. Тем не менее убедить других химиков в возможности существования такой молекулы оказалось непросто, и только в 1972 г., с появлением краткой заметки американских ученых о молекуле-додекаэдре С 20, Бочвар представил работу о С 60 в АН СССР. К его разочарованию, химики-экспериментаторы не захотели синтезировать эту структуру, и вплоть до синтеза в 1985 г. она считалась теоретической выдумкой.

Между тем в середине 1970-х британский химик Харольд Крото обнаружил по спектральным данным из космоса длинные углеродные молекулярные цепочки и загорелся идеей получить их в лабораторных условиях. В начале 1980-х в техасском Университете Райса, в лаборатории Ричарда Смолли, была разработана аппаратура для исследования соединений и кластеров (промежуточных между молекулой и объемным твердым телом), образующихся из тугоплавких элементов. Затем американский химик Роберт Кёрл приехал в лабораторию Крото и предложил ему посетить лабораторию Смолли. Впечатленный установкой, Крото предложил заменить металлический диск графитовым, чтобы получать не металлические кластеры, а углеродные цепочки, моделируя условия звездных оболочек.

В августе 1985 г. Крото стал участником описанного им же эксперимента и вскоре увидел непонятные пики в спектрах зарядов и масс частиц, соответствующих структурам из 60 и 70 атомов углерода. Изучив находку, ученый интерпретировал ее как замкнутую структуру, имеющую форму футбольного мяча и мяча для регби. А 13 сентября редакция журнала Nature получила статью под заголовком «С 60: Buckminsterfullerene », где молекула фуллерена была изображена с помощью фотографии футбольного мяча — видимо, у авторов просто не хватило времени на постройку понятной атомарной модели.

Почему авторы предположили, что полученная молекула С 60 представляет собой именно замкнутую сферу, а не цепочку? Природа любит симметричные структуры, а усеченный икосаэдр (форма футбольного мяча) — это образец высшей симметрии. Крото писал: «Я думал — такая форма молекулы настолько прекрасна, что должна быть верной». На мысль об этой форме ученого натолкнул купол, построенный для выставки выдающимся изобретателем Бакминстером Фуллером, потому новая молекула была названа его именем.