Схема (фрагмент) молекул воды, соединенных водородными мостиками (пунктир) в структуре льда
В кубике льда содержится множество молекул воды, соединенных этими водородными мостиками. Конечно, прочность такой постройки невелика: на этот раз содержимое чемодана весьма хрупко. Достаточно совсем небольшого нагревания, чтобы водородные мостики начали рваться. Некоторые молекулы воды начинают свободно двигаться. А на глаз мы наблюдаем... таяние льда. Совсем незначительное событие в мире молекул — разрыв нескольких водородных мостиков — оборачивается существенным событием нашей жизни: весенним таянием снегов и льдов!
2.4. Вечная суета в мире жидких тел
Молекула метилового спирта; расположение молекул метилового спирта в жидком состоянии (пунктиром изображены водородные мостики)
В отличие от молекул воды в молекулах спирта имеется только один атом водорода, непосредственно связанный с атомом кислорода. Поэтому молекулы спирта могут образовывать водородные мостики только с двумя соседними молекулами. Еще хуже обстоит дело с молекулами эфира, у которых на центральном атоме кислорода нет атомов водорода, а значит, и нет возможности построить мостик. Когда число водородных мостиков мало, расположение молекул становится весьма беспорядочным. Молекулы-сестры без конца движутся, меняются местами, суетятся: все вместе они составляют жидкость. Спирт и эфир остаются жидкими и тогда, когда вода уже замерзает.
Молекула эфира; расположение молекул эфира в жидком состоянии (это расположение беспрерывно меняется). Водородных мостиков уже нет
Силы, связывающие молекулы эфира между собой, очень слабы. Существует лишь притяжение между разноименно заряженными частями молекул. Поэтому молекулы эфира склонны вылетать из жидкости: эфир легко испаряется. И только очень сильно охладив молекулы, можно отнять у них столько энергии, что они перестанут двигаться. Тогда даже спирт и эфир могут стать твердыми.
2.5. Молекулы, помогающие узнавать время
Молекула МББА. Скелет молекулы состоит в основном из атомов углерода, к которым снаружи присоединены атомы водорода
Некоторые жидкости, хотя и не упорядочены так строго, как твердые тела, все же не так беспорядочны, как те жидкости, о которых мы только что говорили. За эту двойственность их называют "жидкими кристаллами". Такой жидкий кристалл образуется, например, из молекул N-пара-метоксибензилиден-пара-бутиланилина, или МББА, расположенных параллельно друг другу, словно косяк отдыхающих угрей.
Молекулы МББА в жидком кристалле напоминают косяк угрей. Такой кристалл прозрачен
Но речь идет о совершенно особом косяке рыб. Поместим жидкий кристалл в сильное электрическое поле: сразу же молекулы-угри приходят в движение и образуют круговые вихри. И если в нормальном состоянии жидкий кристалл прозрачен, как вода или спирт, то в вихревом состоянии он мутнеет и сильно рассеивает свет, как воронка ила в воде или облако пыли в солнечном луче.
Те же молекулы в сильном электрическом поле образуют вихри, среда становится непрозрачной
Вот так на циферблате появляется цифра 5
Этим свойством молекулы МББА можно воспользоваться для индикации цифр в микрокалькуляторах или электронных часах. Весь циферблат часов заполнен жидким кристаллом. В определенных местах расположены прозрачные электроды в форме цифр 1, 2, 3,.... На эти электроды от часового механизма поочередно подается сигнал, электрическое поле которого действует на молекулы. На участке возбужденного электрода происходит помутнение, и на циферблате появляется цифра. А недавно нашли способ так "закручивать" косяк этих "электрических угрей", что он становится видимым при освещении.
2.6. Молекулы чистоты
Молекула стеариновой кислоты. Ее 'позвоночник' образован только атомами углерода, которые связаны с внешней стороны с атомами водорода. Головка этой молекулы состоит из двух атомов кислорода и атома водорода. В мыле этот атом водорода замещен, например, атомом натрия
Намылим руки. Чем объяснить легкость, с которой мыло удаляет грязь? Ответ нам может дать молекула стеариновой кислоты. Каждая молекула представляет собой длинную цепь атомов углерода и водорода и "головку" с двумя атомами кислорода. Если несколько таких молекул находится в присутствии большого числа молекул воды (когда мы опускаем мыло в воду), молекулы кислоты группируются и образуют маленькие шарики, в которых они располагаются головками наружу. Головки окружены довольно беспорядочно движущимися молекулами воды.