Чудесная молекула

3.1. Застывшая волна электрона — ключ к индивидуальности атома

Обратимся теперь к природе атома. Его можно представить себе в виде мясистого плода: если разрезать мякоть, то в центре мы увидим ядро. Хотя ядро очень мало (одна стотысячная диаметра атома), оно гораздо тяжелее, чем мякоть. И все же именно эта удивительная мякоть определяет почти все свойства атома.

"Мякоть" состоит из электронов. В окружающем нас мире нет ничего, что мы могли бы сравнить с электроном, потому что он двулик. Иногда электрон ведет себя как маленькая частица, которая быстро движется через весь атом-плод, проходя через определенные места чаще, чем через другие. А иногда, как показал французский физик де Бройль, электрон ведет себя — и именно так мы будем его здесь представлять — как волна, но волна очень своеобразная, в некоторой степени застывшая. Возьмем веревку и будем встряхивать ее за один конец. Если в какой-то момент сделать фотографию веревки, то на ней можно будет увидеть волну, распространяющуюся в одном направлении — вдоль веревки. Волна состоит из гребня (на рисунке синий) и впадины (голубая). Морские волны образуются и распространяются по поверхности в двух горизонтальных направлениях. Амплитуда волны в данный момент-гребень, впадина или зона покоя — измеряется по вертикали. А вот "застывшая электронная волна" имеет три измерения, и ее описывают, изображая объем, в котором находится волна. Мы увидим, что эти объемы могут принимать самые разнообразные формы. А для того чтобы различать гребни и впадины, потребовалось бы четвертое измерение. Гораздо проще окрасить волну: гребень синим, а впадину — голубым.

Плоская одномерная волна (например, веревка), колебание распространяется по горизонтали. По вертикали измеряется амплитуда волны

И еще одна особенность: в противоположность морским волнам, волна электрона никуда не бежит. Это — застывшая волна, окаменевшее колебание. Форма волны, которая является результатом тонкого равновесия естественных сил внутри атома, остается неизменной, стационарной.

Двумерная волна (морская волна), колебания распространяются в двух направлениях по горизонтали. И в этом случае амплитуда волны измеряется по вертикали

Эти застывшие электронные волны хранят ключ к индивидуальности атомов: форма волн определяет возможные связи с другими атомами, и своими гребнями и впадинами они дают как бы инструкции атомам во время реакции.

3.2. Волны в форме шара

Самые простые волны имеют форму шара. На определенном расстоянии от центрального ядра амплитуда такой волны одинакова в любом направлении. Шарообразная волна может состоять только из гребня или из серии гребней и впадин, сменяющих друг друга по ходу образования волны от центра к периферии.

Шарообразные волны в разрезе. Эти застывшие волны различаются числом застывших гребней и впадин (А — для единственного электрона атома водорода; Б — для третьего электрона атома лития; В — для одиннадцатого электрона атома натрия)

У атома водорода один электрон, и этот единственный электрон занимает одну шарообразную волну, состоящую только из гребня. Третий электрон в атоме лития — внешний — представляет собой как бы кожуру атома — плода и тоже находится в шарообразной волне. Но у этой волны кроме гребня есть и впадина. У атома натрия внешний одиннадцатый электрон также образует волну — шар, только уже двойную, в которой гребни и впадины чередуются с зонами покоя.

Часто атомы, у которых внешняя оболочка-кожура устроена одинаково, имеют похожие химические свойства. В особенности это касается числа связей, которые могут образовываться, и их направления. В приведенных выше примерах все три атома могут "не задумываться" о направлении сближения с другими атомами: благодаря шаровой форме их волн для них все направления хороши.

3.3. Волны в виде восьмерок и четырехлистников

Волна-восьмерка дает возможность образования связей по оси гребень-впадина. Атомы углерода, азота и кислорода используют три волны такого типа

По мере увеличения числа электронов в атоме им становится все теснее. К счастью, избежать "пробок" в движении электронов позволяют другие типы застывших волн. Первую возможность предоставляют волны в виде объемных восьмерок, составленных из двух пузырей: с одной стороны такой волны пузырь наполнен, с другой — пуст. А между ними располагается зона покоя, где как раз помещается ядро. Волна-восьмерка — ценное изобретение атомного мира — не имеет аналогий в морях нашей планеты. Электроны в атоме могут образовывать одновременно до трех восьмерок: восток-запад, север-юг, верх-низ.

Таким образом, каждая волна-восьмерка имеет свое излюбленное направление, в котором ориентированы ее гребень и впадина. И именно в этом направлении с помощью такой волны могут образовываться связи с другими атомами. Следует отметить, что атомы углерода, азота и кислорода кроме шарообразных волн используют три волны-восьмерки.

Четыре типа волны-четырехлистника и волна-катушка

Еще удивительнее волна в виде цветка с четырьмя лепестками: два лепестка полные, а два других — пустые. Существуют четыре типа таких волн, которые отличаются друг от друга только своим направлением в пространстве. В этом семействе есть еще пятая волна, форма которой имеет интересную особенность: центральная часть этой волны напоминает катушку. Четырехлепестковые волны часто встречаются в атомах таких металлов, как хром, железо, никель и другие. Их гребни, направленные в разные стороны, дают возможность этим атомам окружить себя большим числом атомов. Ведь для того чтобы образовать четыре связи в одной плоскости, достаточно всего лишь одной четырехлепестковой волны.

3.4. Электронная пара

Атомы обладают разным числом электронов. У самого маленького атома-водорода-всего один электрон, а у самых больших атомов их больше ста: у атома урана, например, 92 электрона. Следовательно, существует больше ста разных типов атомов. В каждом из них имеется свое ядро, положительный заряд которого должен точно уравновесить отрицательный заряд всех электронов атома.

Два электрона (но не больше) могут соединиться в пару, чтобы образовать и заселить общую волну. Однако вовсе не обязательно, что пару могут составить два любых, взятых наобум электрона. Каждый электрон имеет особое сокровенное свойство, нечто такое, что должно найти в партнере по паре свою противоположность. Для того чтобы изобразить электронную пару, образующую волну, рисуют две противоположно направленные стрелки. А электрон-одиночка изображается одной стрелкой.

Заполнение атома электронами по слоям

Таким образом, шарообразную волну атома водорода занимает электрон-одиночка, тогда как у атома гелия в очень похожем шаре умещается пара электронов. В более сложных атомах электронные пары заселяют и другие типы волн. Заполнение этих волн происходит очень методично, как в луковице, слой за слоем. В каждом слое волны одинаково доступны электронам. Внутри слоя каждая пара занимает свою собственную, волну, изображенную на рисунке клеточкой. Несформировавшиеся и не занятые электронами волны считаются пустыми. Как некая абстракция эти волны существуют и без электронов, однако пока в них нет электронов, они никакой роли не играют.

Атомы с заполненными слоями особенно устойчивы. А два атома с одинаковым числом электронов во внешнем слое имеют очень похожие свойства. Именно это мы наблюдаем в случае атомов лития и натрия. И как раз в этом заключается смысл классификации атомов, разработанной Д. И. Менделеевым.

3.5. Встреча двух волн: удобная и неудобная волны

Когда два атома соединяются между собой, чтобы образовать молекулу или фрагмент молекулы, их волны встречаются.

Встреча двух гребней приводит к образованию удобной и неудобной волн. Неудобной для связи волной является та, в которой гребень и впадина разделены зоной покоя, так как эта зона расположена между двумя атомами

Эта встреча двух волн, принадлежащих разным атомам, и лежит в основе всей химии. Предположим, что два гребня сближаются настолько, что перекрывают друг друга. В результате образуются две новые волны, охватывающие оба атома. При этом в первой вновь образовавшейся волне два гребня в буквальном смысле слова сливаются: новая волна образует один гребень там, где раньше было два. Новая молекулярная волна очень выгодна для электронов, это — удобная волна. В самом деле, занимающий ее электрон становится устойчивым, благодаря тому что теперь он в некотором роде принадлежит одновременно обоим атомам.

Но горе тем электронам, которым приходится занимать вторую вновь образовавшуюся волну! В этой неудобной волне при встрече один из гребней буквально выталкивается другим во впадину. И новая молекулярная волна оказывается перерезанной зоной покоя, по разные стороны от которой находится гребень и впадина! Такое волнообразование, характеризующееся наличием зоны покоя в волне, для нас не ново: мы с ним уже встречались в некоторых шарообразных волнах и в волнах в виде восьмерки. Но здесь перегиб волны — зона покоя — находится как раз между ядрами, а именно в том месте, где должна была бы образоваться связь. Все это делает волну очень мало привлекательной для электронов, которые по мере возможности и избегают попадать в нее.

Образование этих двух типов волн — удобной и неудобной — можно сопоставить с тем, что мы наблюдаем, бросая в озеро камни один за другим: концентрические волны вокруг точки попадания иногда увеличиваются, а иногда разрушаются.

3.6. Чем скрепляются межатомные связи?

В молекуле водорода связь между атомами осуществляет электронная пара, занимающая удобную молекулярную волну

Сближение атомов, при котором происходит перекрывание их волн, оказывается особенно выгодным в том случае, когда у каждого атома есть одинокий электрон. Тогда в удобной молекулярной волне, где каждый электрон чувствует себя гораздо лучше, чем в своей атомной волне, может образоваться электронная пара. Например, в молекуле водорода соединяются в пару одиночные электроны атомов водорода. Застывшая волна этой пары растягивается от одного ядра до другого. Так образуется химическая связь между двумя атомами: электроны служат цементом, который удерживает атомы вместе.

Мысль о том, что связь между атомами обеспечивается электронными парами, принадлежит американскому химику Джилберту Льюису. Она является фундаментальным понятием в химии.

Неизбежное попадание одной из двух электронных пар в неудобную волну (наверху) препятствует образованию молекулы гелия

Однако в том случае, когда электроны попадают в неудобную волну, образование молекулы затрудняется. При сближении двух атомов гелия, каждый из которых имеет пару электронов, молекулярные волны должны быть образованы четырьмя электронами. Первая пара могла бы занять удобную волну наподобие той, что образуется в молекуле водорода. Но зато вторая пара вынуждена была бы занять неудобную волну. Эти два электрона оказались бы такими несчастными, что молекула не смогла бы выжить. Поэтому атомы гелия упорно стараются избегать друг друга.

3.7. Волны в форме лепестков

Четыре волны-лепестка атома углерода. Справа — деталь (один лепесток) такой волны

Итак, удобные волны, занятые электронной парой, обеспечивают устойчивость связей между атомами. Эти волны тем удобнее, чем точнее направлены друг к другу гребни обоих атомов и чем больше они перекрываются. Для того чтобы облегчить перекрывание, атом может смешать все свои волны и из этой смеси приготовить новые волны, которые будут специально направлены к соседним атомам. Волны такого типа открыты американским ученым Лайнусом Полингом.

Образование молекулы метана: каждый из четырех атомов водорода отдает свой электрон на образование пар с четырьмя электронами углерода, находящимися в волнах-лепестках

Так, смешав три волны — восьмерки с волной-шаром, атом углерода создает из них четыре гибридные волны-лепестка, направленные в четыре разные стороны. Против каждого гребня-лепестка имеется маленькая впадинка. Если рядом находятся четыре атома водорода со своими волнами-шарами, могут образоваться четыре удобные связывающие волны. Связь атома углерода с каждым из атомов водорода обеспечивается электронными парами, которые образуются из четырех электронов атома углерода и четырех электронов, внесенных атомами водорода. Получающаяся при этом молекула метана, как мы уже знаем, имеет форму тетраэдра. Эта способность атома углерода к образованию четырех связей, расположенных в пространстве в виде тетраэдра, была открыта сто лет назад голландским ученым Вант-Гоффом и французским химиком Ле Белем. Именно этой способностью объясняется существование левых и правых молекул; эта способность лежит в основе одного из разделов химии, называемого стереохимией.

Число неспаренных одиноких электронов, которые могут войти в волны-лепестки (в углероде — четыре, в азоте — три и в кислороде — два), определяет 'связывающую способность' атомов (для углерода — 4, для кислорода — 2 и для азота — 3). Большие стрелки показывают направления, в которых могут образовываться связи

У некоторых атомов, например атомов азота и кислорода, в одной или нескольких волнах-лепестках уже имеется готовая электронная пара; такую пару называют "изолированной", или "свободной". Поэтому способность таких атомов образовывать связи с другими атомами (знаменитое химическое понятие валентности) меньше, чем у атома углерода: кислород может образовывать лишь две связи, а азот — три.

3.8. Двойная связь

Иногда атом углерода отдает две или три свои связи какому-нибудь одному атому. В этом случае говорят о двойных или тройных связях, которые изображают на рисунке соответственно двумя или тремя черточками.

Молекула этилена (вид сверху на плоскость, в которой расположены атомы)

В молекуле этилена два атома углерода связаны между собой двумя связями. Поэтому у каждого из них три соседа: два атома водорода и другой атом углерода. Чтобы образовать эти три связи атом углерода использует две (из трех) волны-восьмерки и волну-шар и создает три волны-лепестка в плоскости молекулы. И еще у каждого атома углерода остается по одной нетронутой волне-восьмерке, направленной перпендикулярно плоскости молекулы. Оба атома углерода делят между собой первую удобную волну (внутреннюю), внося в нее по одному лепестку. Эту удобную волну занимает первая пара электронов. Вторая удобная волна (внешняя) образуется при взаимодействии волн-восьмерок, оставшихся нетронутыми. При этом наверху сливаются два гребня, а внизу — две впадины[2]. Новая молекулярная волна простирается, как мантия, сверху и снизу плоскости, в которой расположены атомы. Эту волну занимает вторая пара электронов. На рисунке эта пара помещена в гребень волны, но точно так же она может находиться и во впадине. Возможен и такой вариант, когда один из партнеров занимает гребень, а другой — впадину. Атомы углерода прочно связываются такой связью; расстояние между ними короче, чем между атомами, связанными простой (одинарной) связью.

Две удобные волны двойной связи (вид сбоку)

Двойная связь благодаря своей силе придает молекуле определенную прочность. Но в то же время — вот вам многоликость природы — она делает молекулу более реакционноспособной: оба атома углерода могут пожертвовать одну из своих двух связей, все еще сохраняя близость между собой.