Техника - молодёжи 1965-08, страница 44

СЮРПРИЗЫ ХИМИИ ТРЕТЬЕЙ-

ЭЛЕМЕНТООРГАНИКИ

ХЕЛАТ: МОЛЕКУЛА С КЛЕШНЕЙ

В знаменитой «♦Естественной истории» Плиния Старшего упоминается о том, что на папирусе капли настоя из чернильных орешков в присутствии железа превращаются в сине-черные пятна. Плиний не ведал, что имел дело с хелатами. Это слово появилось в лексиконе химиков лишь в 1920 году.

Спросите любительницу косметики: какие вещества придают губной помаде особенно яркий алый цвет? Или своего школьного учителя: почему у человека кровь красная, а у осьминога голубая? Что делает хлорофилл зеленым? На это нельзя ответить, не оперируя понятием «хелаты».

Антидетонационные присадки для бензина. Катализаторы для ракетного топлива. Ускорители вулканизации каучука. Антистарители для полимеров. Аналитические реагенты Умяг-чители воды. Консерванты для пищевых продуктов. Инсектициды. Растворители почечных камней. Стоит ли продолжать? Думается, и так ясно, насколько важны соединения го странным названием «хелаты».

А странного в нем ничего нет. Оно происходит от греческого «хеле», что означает «клешня». И действительно, герои нашего рассказа описываются такими формулами, которые напоминают клешни крабов. А иногда даже щупальца спрутов! Впрочем, этими зловещими сравнениями молекулы хела-тов обязаны не только чисто внешнему сходству, но и «манере» своего поведения.

Никель знаком каждому. Этот металл входит в состав «небесных камней» — железных метеоритов. И всевозможных земных сплавов: нержавеющей стали (9% Ni), монель-металла (68%Ni), нейзильбера, нихрома, инвара, многих иных От количества никеля в сплаве зависят свойства конструкционного материала — идет ли речь о громадном заводском аппарате или крохотной радиолампе. Понятно, как строго следует контролировать качество плавки. Между тем в пробе присутствует, как правило, множество других химических элементов» И даже очень сходных с никелем: например, железо, кобальт.

Чтобы выделить из раствора сплава интересующий нас компонент, во-первых, целиком и, во-вторых, без примесей-спутников, нужен реагент, действующий избирательно Такой реагент для никеля был открыт в 1905 году русским химиком Чугаевым — диметилглиоксим. Две молекулы этого органического соединения охватывают ион никеля, словно клещами. Образуется плоская симметричная молекула хелата. Этими «клещами» ионы никеля извлекаются из смеси, словно гвозди из доски. При избытке димешлглиоксима все ионы никеля выпадают в виде осадка красного цвега. Кстати, имен

но

СНз

СН.

Так образуется диметилглиоксим.

но это вещество используется как краситель для некоторых сортов губной помады.

Правда, реактив Чугаева способен образовать клешневидное соединение и с медью. Но в отличие от диметилглиоксимата никеля оно хорошо растворимо в воде.

Сколько хлопот доставляет хозяйкам жесткость воды! Виной всему — соли кальция, магния и железа. Это они образуют накипь в чайниках, портят вкус кофе, оставляют пятна на стенках ванны и свежевыстиранном белье. Избавиться от них помогают хелаты. Есть такая кислота — этилендиамин-тетрауксусная (ЭДТУ). Стоит ее натриевую соль добавить к воде — и жесткости как не бывало. Ионы зловредных металлов попадают «в клещи» и обезвреживаются. ЭДТУ способна удалять из организма попавшие туда- страшные яды — свинец, радиоактивный плутоний.

ЧТО СКРЫВАЕТСЯ ЗА ВАЛЕНТНЫМ ШТРИХОМ

Ллектровалентная (ионная, гетерополярная) связь. Классический пример — молекула поваренной соли (хлористого натрия) Na *+" СГ"*,

Ковалеитная (го меополярная) связь. Пример — молекула хлора С1₂.

Д о н о р н оа к ц е п т о р н а я связь. Пример — молекула нашатыря NHjCl. Она как бы составлена из аммиака NH₃ и хлористого водорода НС1. Странно, не правда ли? Нейтральные молекулы с насыщенными валентными связями вступают в соединение...

У атома азота на внешней орбите 5 электронов. Добавляя к ним еще три «чужих», он обретает устойчивый октет. «Чужие» берутся, скажем, у трех атомов водорода — так появляется на свет ЛН₃. Вернее, не берутся, а обобществляются» ибо электроны внутри каждого из этих трех дублетов находятся в коллективном владении, принадлежа одновременно как атому Н, так и атому N. Стало быть, перед нами три ко-валентные связи. Зато молекула НО ионная. Атом водорода, пожертвовав свой единственный электрон атому хлора» превратился в «голый» протон. Оказывается, этот протон может вступить в химический союз с атомом азота — тем самым, что в молекуле аммиака. Ибо у атома N из 5 электронов, что вращаются у него на внешней орбите, лишь 3 израсходованы на образование ковалентных связей с атомами Н. Значит, помимо трех дублетов, образованных «в складчину», атом азота располагает еще и своей собственной — так называемой неподеленной — парой электронов. Эту-то пару он и размещает на свободной орбите протона. В такой ситуации атом азота служит донором («дарящим»), а водорода — акцептором («принимающим»).

Водородная связь. Тример (HF)₃, Три нейтральные молекулы объединяются в коллектив благодаря тому, что атом водорода становится «слугой двух господ»: атомов железа в своей и в соседней молекулах.

А теперь можно приступить к препарированию хелатных и ценовых структур, где возможны в^е перечисленные типы связей.

В хелатах донорами обычно выступают атомы кислорода, азота или серы, роль акцептора отводится атому металла. Между молекулами-клешнями порой перекидываются мостики водородной связи, как, например, в случае диметилглиоксимата никеля. А иногда это просто одна кольцевидная молекула (хлорофилл, гемоглобин), вобравшая в себя атом. Вот почему хелаты называются еще и внутрикомплексными соединениями.

В образовании ценовой связи принимают участие не только наружные (валентные) оболочки» но и внутренние. Сопоставьте электронные конфигурации атома железа и ближайшего к нему инертного газа криптона: Fe: 2 -1-8 + 14+2 - 26 и Кг:2 + 8+ 18 + 8«Зв.

Атому Fe — видите? — не хватает ровно 10 электронов (4 внутренних и 6 наружных) до устойчивой электронной конструкции Кг. Этот электронный «дефицит» и устраняется углеводородными ломтиками сэндвича (формула ферроцена).

Две пятиугольные «обкладки» предоставляют атому железа по 5 собственных электронов. В результате все оболочки (внешняя и внутренняя) атома оказались насыщенными до отказа, как и у инертного газа криптона. В молекуле дибензол-хрома в образовании шести доиорно-акцепторных связей тоже принимает участие внутренняя оболочка атома С г. Но здесь главную роль играет уже не обычная, а обратная донорно-акцепторная связь (ее называют д а т и в -н о й). Атом хрома способен не только принять б чужих непо-деленных пар, но еще энергичней сам передает две свои пары бензольным кольцам, обретая положительный заряд.

Справа внизу — сэндвич, отличающийся от дибензолхрома тем, что нижний ломоть у него вдвое больше верхнего (он представляет собой дифенил — два сцепленных бензольных кольца)*

37