What is the shape of a molecule? - George Zaidan and Charles Morton

Какая форма у молекулы? — Джордж Зайден и Чарльз Мортон

Переводчик: Olga Dmitrieva Редактор: Irina Strelnikova

What is the shape of a molecule?

Какая форма у молекулы?

Well, a molecule is mostly empty space.

В основном молекулы состоят из пустоты,

Almost all of its mass is concentrated

так как почти вся их масса сосредоточена

in the extremely dense nuclei of its atoms.

в очень плотных ядрах их атомов.

And its electrons,

В свою очередь электроны,

which determine how the atoms

от которых зависит, какой будет

are bonded to each other,

связь между атомами,

are more like clouds of negative charge

скорее похожи на отрицательно заряженные облака,

than individual, discrete particles.

чем на частицы в привычном нам представлении.

So, a molecule doesn't have a shape

Итак, у молекул нет формы

in the same way that, for example,

в том смысле, в каком

a statue has a shape.

она есть, к примеру, у статуи.

But for every molecule,

Но для каждой молекулы имеется

there's at least one way

по крайней мере один способ

to arrange the nuclei and electrons

расположения ядер и электронов

so as to maximize the attraction

таким образом, чтобы притяжение

of opposite charges

противоположных зарядов усиливалось,

and minimize the repulsion

а отталкивание одноимённых зарядов

of like charges.

ослабевало.

Now, let's assume that the only electrons

Теперь предположим, что форма молекулы

that matter to a molecule's shape

зависит исключительно от тех электронов,

are the outermost ones from each participating atom.

которые находятся дальше всего от ядра каждого из её атомов.

And let's also assume

Предположим также,

that the electron clouds in between atoms,

что электронные облака между атомами,

in other words, a molecule's bonds,

или, иначе, химические связи внутри молекул,

are shaped kind of like sausages.

по форме напоминают сосиски.

Remember that nuclei are positively charged

Не будем забывать, что ядра атомов заряжены положительно,

and electrons are negatively charged,

а электроны — отрицательно.

and if all of a molecule's nuclei

Соответственно, если бы все ядра в молекуле

were bunched up together

были собраны вместе,

or all of its electrons were bunched up together,

или все электроны были бы помещены рядом,

they would just repel each other and fly apart,

то они просто оттолкнули бы друг друга и разлетелись,

and that doesn't help anyone.

и в этом не было бы никакого смысла.

In 1776, Alessandro Volta,

В 1776 году Алессандро Вольта,

decades before he would eventually invent batteries,

который спустя несколько десятилетий изобрёл батарею постоянного тока,

discovered methane.

открыл метан.

Now, the chemical formula of methane is CH4.

Химическая формула метана — CH4,

And this formula tells us

она показывает нам,

that every molecule of methane

что каждая молекула метана

is made up of one carbon and four hydrogen atoms,

состоит из одного атома углерода и четырёх атомов водорода,

but it doesn't tell us what's bonded to what

но не показывает ни связей между ними,

or how they atoms are arranged in 3D space.

ни их расположения относительно друг друга.

From their electron configurations,

Исходя из электронной конфигурации,

we know that carbon can bond

мы знаем, что атом углерода может присоединить

with up to four other atoms

до четырёх других атомов,

and that each hydrogen can only bond

а каждый атом водорода может присоединить

with one other atom.

только один другой атом.

So, we can guess

Таким образом мы можем предположить,

that the carbon should be the central atom

что атом углерода должен находиться в центре,

bonded to all the hydrogens.

а вокруг него должны располагаться все атомы водорода.

Now, each bond represents

Каждая связь представляет собой

the sharing of two electrons

обобществлённую пару электронов,

and we draw each shared pair of electrons as a line.

и мы представляем каждую пару в виде линии.

So, now we have a flat representation

У нас есть плоская модель

of this molecule,

этой молекулы,

but how would it look in three dimensions?

но как она выглядит в трёх измерениях?

We can reasonably say

Мы можем утверждать,

that because each of these bonds

что так как при образовании каждой из этих связей

is a region of negative electric charge

возникает частично отрицательный заряд,

and like charges repel each other,

а одноимённые заряды отталкиваются,

the most favorable configuration of atoms

то наиболее удачным будет такое расположение атомов,

would maximize the distance between bonds.

при котором угол между связями максимален.

And to get all the bonds

Следовательно, для того, чтобы все связи находились

as far away from each other as possible,

как можно дальше друг от друга,

the optimal shape is this.

молекула принимает форму тетраэдра,

This is called a tetrahedron.

которая в данном случае является оптимальной.

Now, depending on the different atoms involved,

Таким образом, в зависимости от участвующих атомов,

you can actually get lots of different shapes.

молекулы могут приобретать множество различных форм.

Ammonia, or NH3, is shaped like a pyramid.

Аммоний, или NH3, похож на пирамиду.

Carbon dioxide, or CO2, is a straight line.

Диоксид углерода, или CO2, является прямой линией.

Water, H2O, is bent like your elbow would be bent.

Вода, или H2O, напоминает согнутый локоть,

And chlorine trifluoride, or ClF3,

а трифторид хлора, или ClF3,

is shaped like the letter T.

имеет форму буквы T.

Remember that what we've been doing here

Не забывайте, что мы всего лишь дополняли

is expanding on our model of atoms and electrons

нашу модель атомов и электронов,

to build up to 3D shapes.

чтобы получить объёмные изображения.

We'd have to do experiments

Необходимо проводить эксперименты,

to figure out if these molecules

чтобы установить, будут ли эти молекулы

actually do have the shapes we predict.

на самом деле иметь предполагаемую форму.

Spoiler alert:

Внимание! Большинство форм

most of the do, but some of them don't.

предсказать возможно, но есть исключения.

Now, shapes get more complicated

Дело в том, что форма молекулы усложняется

as you increase the number of atoms.

при увеличении числа атомов.

All the examples we just talked about

Во всех рассмотренных молекулах

had one obviously central atom,

имеется атом, очевидно находящийся в центре,

but most molecules,

но большинство молекул,

from relatively small pharmaceuticals

от сравнительно простых лекарственных веществ

all the way up to long polymers

до длинных полимерных цепочек,

like DNA or proteins, don't.

например, ДНК или белки, такого атома не имеют.

The key thing to remember

Необходимо запомнить главное:

is that bonded atoms will arrange themselves

связанные атомы выстраиваются таким образом,

to maximize the attraction between opposite charges

чтобы притяжение противоположных зарядов усиливалось,

and minimize the repulsion between like charges.

а отталкивание одноимённых зарядов ослабевало.

Some molecules even have two or more

У некоторых молекул есть даже два и более

stable arrangements of atoms,

устойчивых расположения атомов,

and we can actually get really cool chemistry

и у нас может получиться очень занимательная химия,

from the switches between those configurations,

если мы будем менять их конфигурацию,

even when the composition of that molecule,

даже при том, что состав молекул,

that's to say the number and identity of its atoms,

то есть количество и природа их атомов,

has not changed at all.

совершенно не изменятся.