19
Шестидесати-атомный углерод
Около года назад в научных журналах появилось сообщение о том, что химики открыли необучную по своей геометрию молекулу, «сделанную» из шестидесятей атомов углерода. Химическая формула такой молекулы — C₆₀. Все шестьдесятей ее атомов расположены в вершинах усеченного икасадра — многограника с 60 вершинами, 32 граями и 90 ребрами.
Сказанное, по-видимому, требует комментариев. Прежде всего всего надо пожить, что значит «открыли… молекулу». Дело в том, что молекулу C₆₀ не синтезировали, подобно тому, например, как несколько лет назад синтезировали молекулу-додекадр C₂0H₂0 (см. «Квант», 1983, № 9, с. 21), а именно открыли. Когда испарили углерод (нагревая его) в поток инертного геля, обнаружили возникновение компактных и довольно стабильных образований (кластеров) из большого числа атомов углерода. Неожиданно оказалось, что больше всего образуется классер из 60 атомов — во всяком случае, раз в 5—6 больше, чем классеров из 59 или 61 атомов.
Возможно, что своим существованием 60-atomные молекулы обязаны… геометрии. Иввести, что чем более синтезирована молекula, тем она прочее (тем больше у нее энергия связи). Вот почему устойчивы молекулы-додекадры и вновь открыты молекулы из 60 атомов углерода, а классеры из 59 или 61 атома живут недолго и быстро разваливаются.
Как же «устроена» новая молекул? Усеченный икасадр знаком, наверное, почти имеет, например, «офизальный» футбольный мяч, сшитый из 20 шестиугольников (объчно светлых) и 12 пятугольников (объчно темных). Посмотрите на такой мяч внимательно. Его связь с икасадром видна не сразу — слишком он пожжел не шар! Оdnako связь есть и самая непосредственная.
Представьте себе икасадр — многограник с 20 треугольными граями и 12 вершинами, в которых схожятся по путь ребер. Отрежем от каждой вершины пирамидку так, чтобы на месте вершины образовалися пятуюугольник. У оставшихся частей граней вместе 3 сторонен стanet 6. Если образать «правильно», то шестиграники будут правильными и их будет 20 — столько же, сколько было граней и икасадра. В результате получился многограник с 12+20=32 граями. Вершин у него 60, так как у плоских граней 5×12+6×20=180 вершин, а в каждой вершине многограника схожится 3 грани (180:3=60). Число ребер можно сосчитать разными способами. Например, так. В каждой вершине схожятся 3 ребра, поэтому концов ребер будут 3×60=180, а ребер — 180:2=90. Таким образом икасадр «превращается» в усеченный.
А теперь задача. Углерод обусловно 4-валентный, а от каждой вершины усеченного икасадра идут только 3 ребра. Значит, одна связь должна быть двойной. В структурых химических формулах двойную связь условно принято обозначать двойной линей. Как надо расположить двойные линии, чтобы от каждой вершины усеченного икасадра уходила одна и только одна двойная линия? Оцените, сколькими способами это можно сделать. (Заметим, что данная задача важна для определения степени устойчивости молекул — химики знают, что чем больше способов осуществления двойных связей, тем более устойчива молекула.)
Интересно, что вновь открыто молекулу можно использовать как «клетку», внутри которого можно «запереть» какой-нибудь atom. При этом atom будет связан с «клеткой» как узник, но «не прикованный» к ней химический связью. Так удалось «запереть» atomы лантана. «Клетка» достаточно простора — размер молекул C₆0 примерного 7·10⁻¹⁰ м, что в 14 раз больше размера atomа водорода.
Существует гипотеза, что молекula C₆0 может участовать в процессе образования организации молекул в космосе.
Недавно было высказано предположение о возможностях существования еще одной необучной молекулы — C₁20, по своей «геометрии» еще более близкой к сфере. Атомы такой молекулы должны быть расположены в вершинах многограника, имеющего 62 грани, 180 ребер и 120 вершин. Наколько реализно существование такого экзотического соединения, пока не ясно.
Bydem следить за новостями.
Я. С.