Налейте в два стакана воду и бросьте в первый несколько крупинок марганцовокислого калия, а во второй капните спиртовой раствор йода. Вы получили два окрашенных раствора. А задумывались ли вы над тем, почему вещества окрашены?
…Свет — это поток электромагнитных волн той или иной длины. Видимый свет — это смесь волн, длины которых лежат в интервале примерно от 0,4 до 0,7 микрометра, причем такая смесь воспринимается глазом как белый свет.
Здесь упрощенно показан спектр поглощения видимого света раствором йода в воде. В видимой части находится пик поглощения (примерно 0,4 мкм фиолетовых и синих лучей. Поэтому йодный раствор имеет желто-оранжевый цвет. Этот пик обусловлен переходом электрона с основного уровня Е0 на первый уровень Е1. Разность энергий ΔE = E1 — Е0 в точности равна энергии, которую несут с собой «ванты света, имеющего длину волны 0,4 мкм. Остальные пики лежат в ультрафиолетовой части спектра (им соответствует большая энергия переходов). Раствор йодистого натрия поглощается только в ультрафиолетовой области, а поэтому он бесцветен. Прописные буквы под горизонтальной осью графика показывают распределение цветов (фиолетового, синего, зеленого, желтого и красного) в видимой части спектра.
Можно рассматривать свет и как поток частичек света, световых квантов — фотонов. Тут такая закономерность: чем больше длина волны световых колебаний, тем меньше энергия, которую несут с собой кванты такого света. Например, энергия фотонов красного света меньше, чем у фотонов фиолетового.
Электрон, который связывает в молекуле два атома, находясь между ними, может обладать различной энергией, как говорят, может занимать разные энергетические уровни. Энергию, необходимую для того, чтобы запрыгнуть с одного на другой, более высокий уровень, электрон может получить, например, от квантов света, упавших на молекулу. Но тут существует такая характерная особенность. Уровней, так сказать, «полочек» энергии, на которых может находиться электрон, немного и все они отвечают строго определенной энергии. Электрон может находиться только на данных уровнях, и принимать промежуточную энергию он не в состоянии. (Представьте, что вы хотите поставить книгу в шкаф. Вы можете положить ее на любую полку, но никак не между полками.)
Что произойдет, если квант света упадет на молекулу? Если энергия кванта в точности равна разности энергий между какими-то двумя энергетическими уровнями, которые может занимать электрон, то он присвоит эту энергию и запрыгнет на более высокий уровень. А что это значит? Это значит, что свет данной энергии (то есть данного цвета) поглотится веществом. Потом электрон вернется в исходное положение, а выделившаяся энергия пойдет на нагревание вещества. А что будет, если энергия кванта света меньше или больше разности энергий электронных «полочек»? В этом случае квант пролетит мимо электрона.
Но ведь зная, какие световые волны поглощаются веществом, мы можем определить важные энергетические характеристики соединения, узнать, на какой высоте располагаются «полки» для электронов! Определить, при какой длине волны свет поглощается, проходя через вещество, нетрудно — у физиков есть для этого точные приборы.
Если, пропуская свет через раствор того или иного вещества, получить на специальном приборе зависимость поглощения света от длины его волны, то такой спектр может много рассказать и о внутреннем устройстве молекулы и о распределении в ней электронов по уровням.
Еще более ценны спектры поглощения веществ в инфракрасной области. Тут поглощение связано с колебаниями атомов в молекуле друг относительно друга. Стоит химику взглянуть на инфракрасный спектр вещества, как он по наличию или отсутствию полос в соответствующих местах может определить, есть или нет в молекуле кетонная, нитрильная, гидроксильная и многие другие группы. Вот как химики теперь узнают строение полученных ими соединений.
Вещества могут поглощать не только свет, но электромагнитные волны в диапазоне радиочастот — длиной порядка метра. Метод, основанный на таком поглощении, называется ядерным магнитным резонансом. Очень грубо смоделировать принцип магнитного резонанса нам поможет… обычный детский волчок.
Пустите по полу вращающуюся детскую юлу. Обратите внимание — ось волчка смотрит в строго заданном направлении. Отклоните ось от вертикали. Ось медленно начнет крутиться вокруг вертикального направления. Это явление называется прецессией. Теперь начните в такт вращения подталкивать ось рукой. Вы увидите, что угол отклонения от вертикали увеличится. Следовательно, волчок поглощает энергию, подводимую извне рукой.
А теперь мысленно заменим вращающийся волчок ядром атома водорода — протоном. Оказывается, в магнитном поле с протоном происходят явления, по физическому характеру сходные с прецессией волчка. В опыте с волчком мы подталкивали его рукой. Когда речь идет о протоне, ту же роль играют колебания магнитного поля.
Рассматривая этот спектр поглощения инфракрасного света веществом, можно сказать, что в молекуле вещества есть кетонная и нитрильная группа, бензольное кольцо и атом кислорода, входящий в состав эфирной группировки.
Так выглядит спектр ядерного магнитного резонанса уксусной «кислоты. Он содержит два пика, соответствующие двум протонам, занимающим в молекуле различное положение.
Будем постепенно изменять частоту этих колебаний. Когда она сравняется с частотой прецессии протона, вещество поглотит энергию поля. Это поглощение отражается прибором, который выписывает пик на графике.
Нужно сказать, что разные ядра водорода в молекуле вступают в резонанс, то есть поглощают энергию при немного отличающихся частотах переменного поля. Это-то свойство и позволяет различать атомы в молекуле и дает богатейшую информацию о ее составе и строении.
Мы рассказали далеко не о всех методах, которые предоставили физики в распоряжение химиков и которые так облегчили работу последним. Мы ничего не сказали об электронном парамагнитном резонансе и комбинационном рассеянии света, об электронографии и масс-спектрометрии, о ядерном квадрупольном резонансе и фотоэлектронной спектроскопии… Все эти методы сегодня на вооружении ученых.
ЛИЦОМ И ЛИЦУ С ПРИРОДОЙ
Концерт на Амазонке
С тех пор как с возникновением и развитием акустики океана расширились исследования звуков моря, ученым известно, что поговорка «нем как рыба» не соответствует действительному положению дел. Чуткие приборы показали, что море полно звуков, издаваемых рыбами. «Речь» некоторых видов рыб настолько громка, что может вызвать взрывы акустических мин, которые срабатывают в ответ на шум корабельного двигателя, — такие случаи отмечались в конце второй мировой войны.
Менее известны до сих пор звуковые сигналы пресноводных рыб. Несколько интересных открытий сделал недавно австрийский биоакустик Фридрих Шаллер, профессор Венского университета, побывавший с гидрофоном в бассейне Амазонки. Оказалось, что примерно каждый второй или третий из двух тысяч видов рыб, известных в Амазонке, обладает «даром речи». Особенно много таких рыб среди сомов и харациновидных. Чем можно объяснить, что самые разные виды, не родственные между собой, в условиях великой тропической реки развили звуковые средства общения? Может быть, малой прозрачностью вод Амазонки? Ее главные притоки несут два различных вида вод — так называемые «белые» и «черные» воды. И те и другие мутны и непроницаемы. В реках, стекающих со склонов Анд, много минеральных взвесей, они напоминают разбавленное молоко. Реки, основную часть пути проходящие по джунглям, обогащаются гумусовыми веществами жирной лесной почвы, их воды кажутся совершенно черными. Чтобы рыбы, живущие в таких биотопах, могли общаться между собой, отпугивать врагов или приманивать жертвы, им надо прибегать не к раскраске, разнообразным формам тела или специфическим позам, а к звукам. (Есть, впрочем, и другие средства — длинные «усы» и более или менее сильные электрические разряды.) Поэтому у рыб образовались звуковые аппараты.