Кристаллическая структура алюмосиликата (или, как его еще называют, цеолита) действительно красива и необычна для нашего взгляда, привыкшего к характерным для жилищной архитектуры прямоугольным формам. Она образована тетраэдрами, объединенными общими вершинами в трехмерный каркас, внутри которого находятся полости, соединенные между собой каналами. Малые размеры сечения этих каналов препятствуют проникновению крупных молекул во внутренние полости каркаса. Благодаря этому цеолиты способны отсеивать крупные молекулы от мелких, исполняя роль своеобразного молекулярного сита. В природных цеолитах, которые встречаются в виде очень красивых минералов, внутренние полости кристаллического каркаса заполнены молекулами воды, катионами натрия, калия и других металлов. С этим связано необычное свойство цеолитов, открытое еще в 1756 году шведским химиком Акселем Кронстедтом: исследуемый им минерал при нагревании выделял пары и вспучивался. Этот минерал так и назвали - "кипящий камень", цеолит (от греческого "цео" - каплю и "литос" - камень).
Сходную с цеолитом кристаллическую структуру имеют алмаз, адамантан, гексаметилентетрамин (широко известный под названием уротропин, или твердый спирт), другие природные и искусственные вещества. Так, в структуре алмаза каждый атом углерода имеет четырех соседей, которые расположены от него на равных расстояниях в вершинах тетраэдра (угол С-С-С составляет 109о28/). Весь кристалл представляет собой единый трехмерный каркас. С этим связаны многие свойства алмаза, в частности самая высокая среди минералов твердость.
Во всех этих примерах мы встречаемся с явлением изоструктурности: разные вещества (и простые, состоящие из атомов одного химического элемента, и сложные, образованные двумя или большим числом элементов) зачастую формируют кристаллы с одинаковой структурой. Различие между ними лишь в численных значениях параметров кристаллической решетки.
Изящество таких структур, их непривычность для нашего глаза при их повсеместной распространенности в мире молекул, естественно, побуждали авторов дидактических пособий, игрушек, головоломок к разработкам, моделирующим подобные структуры.
Еще в 1810 году английский химик Джон Дальтон демонстрировал своим слушателям выточенные из дерева модели атомов, показывая, как они могут соединяться и образовывать различные вещества. Эти модели оказались превосходным наглядным пособием. Впрочем, говорят, когда у одного из студентов спросили, что такое атомы, он ответил: "Атомы - это раскрашенные в разные цвета деревянные кубики, которые изобрел мистер Дальтон".
И хотя химики более поздних поколений пренебрежительно называли такие модели игрушками, почти каждый современный химик держит у себя в лаборатории набор подобных моделей, видя в них удобное средство наглядного представления строения молекул.
Существует множество разновидностей моделей, но деревянные шары с просверленными в них отверстиями и стержнями до сих пор украшают методические кабинеты и стенды на выставках учебных пособий и школьного оборудования.
Шары, как правило, в таких моделях соответствуют атомным ядрам, стержни - связям. Конечно, нельзя не заметить, что если шары изображают ядра атомов, то их размеры непропорционально велики по сравнению с размерами атомов или молекул. Действительно, размер атомного ядра составляет порядка 10-15 м (для легких ядер), в то время как размер самого атома порядка 10-10 м. То есть если мы используем для модели ядра шарик диаметром 1 см, то размер модели самого атома должен составлять порядка километра. Понятно, что реальными соотношениями размеров в моделях приходится поступаться.
Если считать, что шары символизируют электронные облака, то мы снова сталкиваемся с проблемой, поскольку твердый шар с его гладкой поверхностью должен изображать облако, не имеющее определенных очертаний и границ. Химические связи в реальных молекулах даже отдаленно не напоминают стержни, скрепляющие шары. И все же стержни расположены в пространстве так же, как могут располагаться связи. Кроме того, они удерживают шары, не давая им распасться, так же, как химические связи в молекуле удерживают ядра атомов.
Разумеется, молекулы не имеют цвета, не бывают шероховатыми или гладкими, не обладают упругостью, твердостью, вкусом, формой или размерами в обычном смысле этих слов. Иначе говоря, в нашем повседневном языке нет подходящих слов для описания молекул. Естественно, деревянные или пластмассовые модели не должны порождать неверные представления о строении молекул, но для этого надо уметь абстрагироваться от материального воплощения модели.
По этому поводу американский химик профессор Джордж Флек (George Fleck) пишет: "Разработка способов содержательного и наглядного описания молекул, не противоречащего духу физической теории, согласующегося с экспериментальными данными и в то же время достаточно абстрактного, чтобы можно было прибегнуть к воображению , - весьма важная задача. Цель - построение красочного и яркого зрительного образа, свободного от явных противоречий, который бы позволил человеку, умеющему рассуждать абстрактно, конструктивно рассуждать о свойствах и взаимодействиях молекул химических веществ.
Удачная модель молекулы разделяет со своим прототипом одну важную особенность: свойства симметрии модели в точности совпадают со свойствами симметрии молекулы. Общность симметрии модели и молекулы служит путеводной нитью для воображения химика. Построив несколько различных моделей одной и той же молекулы, он может затем поинтересоваться геометрическими свойствами, общими для всех моделей, именно этими свойствами может обладать и сама молекула, и она действительно обладает общими свойствами симметрии моделей".
Одно из последних изобретений в этом роде - конструктор-головоломка "Молекула" В. Красноухова (патент РФ № 2116101). Разработка объединяет в себе свойства детского обучающего конструктора и логической игры-головоломки. Как головоломка эта игра относится к классу так называемых Put-Together Puzzles, в котором объект собирается воедино в нераспадающуюся конструкцию. Среди известных в нашей стране головоломок этого класса, выдержавших испытание временем, хитроумные деревянные узлы разной степени сложности - Колючка Билла Катлера, Куб 2x2x2 В. Рыбинского, Трикубики Е. Н. Билютина, Куб 3x3x3 Такеюки Ендоу и многие другие (см. "Наука и жизнь". Избранное. Выпуск 10. М., 2000 и Выпуск 14. М., 2001). Как правило, задачей в таких головоломках является сборка одного заданного объекта из заданного набора деталей.
В головоломке "Молекула" весьма ограниченный набор типов деталей (всего два типа), однако он позволяет без помощи клея создавать множество нераспадающихся объектов, подобно тому, как огромное число углеводородов образуется с помощью всего двух элементов - углерода и водорода.
Это сравнение не случайно: конструктивные особенности деталей способствуют моделированию пространственных структур, характерных именно для углерода в различных, как говорят химики, его аллотропных модификациях (алмаз, карбин, графин, графит). Получаемые структуры, обладающие различной симметрией формы, а также цветовой симметрией, живо напоминают нам символические изображения молекул в научно-популярных изданиях, кластеров и фуллеренов.
Игровые задания - собрать объект по изображению его внешнего вида. Эти задания можно ранжировать в порядке нарастания сложности. Сравнительно просто, например, собрать компактный объект (ромбододекаэдр), состоящий из шести элементов одного типа. Достаточно сложные задания - сборка линейных, линейно замкнутых (типа молекулы бензола) или плоскостных объектов (типа паркетов). Очень сложные задания - сборка трехмерных объектов типа молекул адамантана (алмазоподобных веществ).
Игра "Молекула" не является детским конструктором в обычном смысле слова. Решение каждого задания потребует интеллектуального напряжения, работы мысли, и в этом плане ее можно рассматривать как механическую головоломку. В какой мере использовать головоломку в качестве дидактического материала при изучении химии - судить педагогам-методистам.
К серийному выпуску "Молекулы" приступил курский завод "Счетмаш".
