Вчимося зшивати молекули

Створюючи штучне волокно, вчені користувалися вже готовими природними матеріалами, побудованими з великих молекул: ялинової або бавовняної целюлози, казеїну, молока або білкових речовин - гороху та сої.

А чому б не навчитися самим будувати такі ж великі молекули? Взяти ті ж вихідні елементи, з яких їх будує природа: вуглець, воду, азот, і створити в лабораторії нові волокнисті речовини. Приготувати з цих речовин прядильний розчин, продавити його через фільєри і отримати повністю синтетичне волокно, зване так на відміну від штучного волокна, виготовленого з молекул, які є в природі в готовому вигляді.

І в цьому немає нічого неможливого. Потрібно тільки остаточно відмовитися від наслідування шовкопряда і вівцям і йти своїм шляхом, випереджаючи і переробляючи природу.

Хіміки вже давно навчилися поєднувати окремі атоми в невеликі молекули. З атомів вуглецю, водню і кисню в великій кількості - в заводському масштабі - виготовляють молекули газів ацетилену, метану і ще декількох тисяч різних речовин.

Але для того щоб створювати великі молекули, треба навчитися «зшивати» маленькі молекули в нескінченно довгі ланцюжки.

Вчені намагалися оволодіти мистецтвом хімічної «крою та шиття». Виявилося, що далеко не всі органічні сполуки здатні «зшивати» в довгі ланцюжки.

Якщо атом вуглецю використовував всі свої чотири гачечки-валентності для приєднання інших атомів, то, очевидно, йому нічим буде зчіплюватися, всі його зв'язки, або валентності, як кажуть хіміки, насичені: Вийшла (молекула, нездатна до зчеплення з іншими молекулами. З'єднання, в яких вуглець не має вільних зв'язків, називаються насиченими. Прикладом може служити молекула газу метану. у молекулі метану до атому вуглецю приєднані чотири атома водню. З молекул метану «зшити» ланцюжок можна.

Інша справа сполуки вуглецю, де витрачені не всі гачки-валентності. Наприклад, в молекулі етилену містяться два атома вуглецю і чотири водню. Кожен з атомів вуглецю двома гачками приєднує до себе два атоми водню, а двома залишилися валентності вони зчіплюються між собою.

З'єднання, в яких атоми вуглецю з'єднані подвійними і потрійними зв'язками, називаються ненасиченими. або ненасиченими. Ось ці-то подвійні або потрійні зв'язки атомів вуглецю виявляються слабким місцем в таких молекулах. Під впливом зовнішніх впливів вони легко рвуться. На кінцях молекул з'являються вільні зв'язку, якими вони і можуть зчіплюватися одна з одною.

Подібно до того як на залізничній станції з окремих вагонів формується потяг, так і молекули ненасичених сполук, використовуючи свої «запасні» зв'язку, з'єднуються між собою, утворюючи довгі ланцюжки.

Складання «молекулярних поїздів», т. Е. «Зшивання» молекул, називають в хімії полімеризацією. Цей термін походить від двох грецьких слів - «полі» - безліч і «мерос» - частина. Великі молекули, що складаються з багатьох частинок, називаються полімерами. а маленькі молекули вихідних речовин - мономерами ( «монос» - єдиний).

Для того щоб з молекул мономера скласти ланцюжок, хіміку треба виконати дві операції. Спочатку зробити так, щоб на кінцях маленьких молекул з'явилися вільні зв'язку. Потім змусити ці молекули з'єднатися між собою.

Взаємодія між молекулами може відбуватися тільки при їх зіткненнях (щоб зчепити два вагони, їх обов'язково треба підігнати один до одного впритул). І цілком очевидно, що чим частіше молекули будуть зіштовхуватися, тим швидше буде протікати хімічна реакція. Отже, щоб прискорити хід реакції, треба або зблизити молекули, або змусити їх рухатися швидше. Зблизити молекули можна тільки збільшенням тиску, а прискорити їх рух - нагріванням.

Для того щоб «скувати» молекулярну ланцюжок, хімік, подібно ковалеві, застосовує жар і удар - температуру і тиск. Це - незмінні помічники хіміка в його складній роботі. Збільшуючи тиск і, особливо, підвищуючи температуру, хімік прискорює реакцію.

Спостерігаючи хід хімічних реакцій при нагріванні, вчені помітили дивне явище. При підвищенні температури на кожні десять градусів швидкість хімічної реакції зростає в два-три рази. Якщо збільшити температуру ще на десять градусів, то швидкість реакції зросте в 2X2 = 4 рази, при підвищенні температури на 30 градусів - в 8 раз, а при підвищенні на 40 градусів - в 16 разів.

Коли ж закипить вода, в якій розчинено узяте для реакції речовина, то швидкість його перетворення зміниться в 2 10 разів, т. Е. В 1024 рази.

Виходить, що швидкість реакції збільшується набагато швидше, ніж підвищується температура. Справді, коли температура збільшиться в 10 разів, швидкість реакції збільшиться в 500 з гаком разів.

Ця дивна на перший погляд закономірність довгий час залишалася без пояснення. Загадка ця була розкрита лише в 1913 році.

Як відомо, молекули газів і рідин безперервно рухаються, і швидкість їх велика. При звичайній кімнатній температурі молекули вуглекислого газу мчать зі швидкістю 372 метра в секунду. Швидкість молекул водяної пари ще вище - 582 метра в секунду, а швидкість молекул водню - 1740 метрів в секунду. Але це їхня середня швидкість. Вчені з'ясували, що молекули рухаються не з однаковою швидкістю. Серед них є окремі надшвидкі молекули, які мчать так, як ніби речовина підігрітий нема на 10-20 градусів, а на кілька тисяч градусів. При підвищенні температури кількість таких надшвидкісних молекул швидко збільшується. У реакцію же вступають не всі молекули, а головним чином «надшвидкі». Ось чому швидкість хімічної реакції зростає швидше, ніж підвищується температура.

Такі молекули володіють в момент зіткнення великою енергією (маючи підвищений запас внутрішньої енергії), т. Е. Перебувають у збудженому стані.

Такі молекули стають тими точками, або центрами, навколо яких розгортається хімічна реакція. Вони були названі активними. Чим більше утворюється активних молекул, тим швидше з'єднуються між собою речовини, швидше «зшиваються» маленькі молекули в довгі ланцюжки.

Молекули-малятка, вступаючи в хімічну сполуку, утворюють молекулу нового речовини.

При хімічних реакціях багато речовин виділяють енергію - теплоту; тому енергія збудженої молекули не висихає, а, навпаки, зростає.

Молекула мчить з ще більшою швидкістю, різко розштовхуючи інші молекули, які трапляються на її шляху. І всі вони, в свою чергу, стають активними. Число центрів хімічної реакції з кожною миттю стає все більше і більше. Кількість активних молекул наростає, як снігова лавина, яка мчить з гори.

Видатні радянські вчені - академік Н. Н. Семенов і член-кореспондент Академії наук СРСР Я. Б. Зельдович розробили теорію хімічних реакцій, утворених активними молекулами.

Ця теорія вперше дала можливість правильно пояснити загадкове поведінку деяких речовин при з'єднанні їх з іншими речовинами.

«Ланцюги активних молекул можуть розгалужуватися, - писав академік Семенов, - одна активна молекула породжує іноді кілька нових одночасно».

Для початку полімеризації досить, щоб хоча одна молекула мономера прийшла в активну, збуджений стан. Новоутворена активна молекула стикається з іншими, неактивними молекулами і з'єднується з ними. Виникає первісна ланцюжок, яка поступово стає все довшим. А реакція, що почалася в одній точці, поширюється по всій масі речовини.

Так одна активна молекула може викликати перетворення в одну величезну ланцюг багатьох сотень і навіть тисяч маленьких молекул.

Поділіться посиланням з друзями