Глава 3 .

Глава 3 .


Когда два атома встречаются, они могут начать друг с другом взаимодейство- 

вать . То, как именно протекает их взаимодействие, в первую и основную очередь 

зависит лишь от того, как именно устроены их внешние электронные оболочки. 

Сколько протонов или нейтронов находится у них в ядрах, совершенно неважно, 

ведь они слишком далеко и влияние положительно заряженных протонов прочно эк- 

ранировано стадами пасущихся на электронных уровнях электронов. Неважно даже 

и то, сколько электронов расположено на предпоследнем электронном уровне, не 

говоря уже о более близких к ядру электронах, поскольку и их влияние ничтожно 

по сравнению с влиянием тех электронов, которые находятся на самом внешнем 

уровне и приходят в непосредственное соприкосновение с внешними электронами 

соседнего атома. Так что важно только одно 

— сколько электронов на самых 

внешних уровнях атомов, и как именно они там располагаются. «Внешним» уровнем 

атома мы называем тот уровень, который дальше всех расположен от ядра и при 

этом содержит хотя бы один электрон. 

Введем важное понятие: «электронная формула атома». Это такая запись, кото- 

рая зримо, наглядно показывает 

— сколько электронов находится у данного атома 

на каких уровнях и подуровнях. Например, электронная запись водорода будет 

такой: Is1. Первая цифра показывает номер уровня. Буква показывает 

— какой 

именно подуровень этого уровня имеется в виду 

— s (сферический) или р (три 

«гантели») или d (пять сложных «гантелей») или f (семь очень сложных конфигу- 

раций) и т.д. А вторая цифра показывает, сколько электронов находится на этом 

подуровне. 

Отсюда ясно, что если электронная формула атома записывается как Is1, то 

это означает, что в этом атоме имеется лишь один электрон, и находится он, 

разумеется, на первом s-подуровне 

— это хорошо знакомый нам атом водорода. 

У кислорода порядковый номер 8 в периодической таблице, а значит в его ядре 

8 протонов (плюс сколько-то нейтронов, нам сейчас неважно сколько), и значит 

на орбитах вокруг ядра располагаются 8 электронов. На первом уровне есть 

только s-орбиталь, на котором помещается максимум 2 электрона, на втором 

уровне уже есть два подуровня 

— s и р, (на подуровне р максимум может быть 6 

электронов 

— по два на каждую 2р-орбиталь). Заполнение электронами подуровней 

простых атомов идет строго по порядку 

— сначала заполняется подуровень Is, 

потом 2s, потом 2р, потом 3s, потом Зр. Отсюда ясно, что электронная формула 

кислорода будет такой: Is2 + 2s2 + 2р4, или, более коротко: ls22s22p4. 

Третий электронный уровень в атоме содержит три подуровня: s, p, d. Мы мо- 

жем интуитивно понять и запомнить, что для электронов находиться на сфериче- 

ской орбитали s значительно проще, чем на сложной гантелеобразной р, и уж тем 

более сложно на еще более замысловатой орбитали d-подуровня. И учитывая тот 

факт, что чем дальше от ядра, тем плотнее расположены всё более многочислен- 

ные уровни и подуровни, мы совсем не удивимся тому, что для атома энергетиче- 

ски выгодней, чтобы электроны сначала заполняли простой по форме сферический 

подуровень 4s, и уже лишь потом вскарабкивались на сложный 3d, затрачивая на 

это больше энергии. То есть правило последовательного заполнения подуровней 

снизу вверх в данном случае нарушается, но нам легко понять 

— почему это про- 

исходит 

. В более сложных атомах порядок заполнения подуровней становится еще 

более сложным, и мы конечно сейчас не будем в это углубляться. На самом деле 

нам эти сложные атомы с большим количеством электронов почти что и не нужны, 

ведь самые основные химические элементы жизни очень просты: водород, углерод, 

азот и кислород. В меньшей степени живые организмы используют серу и фосфор, 

а остальные элементы еще меньше. 

Самый тяжелый элемент из этой главной шестерки - сера, у нее 16 электронов. 

Давай посмотрим - входит ли сера в число настолько тяжелых элементов, у кото- 

рых уже нарушается порядок последовательного заполнения подуровней? Просто 

начнем писать электронную формулу, следя, чтобы количество электронов не пе- 

ревалило за 16: ls22s22p63s23p6... стоп, перебор - уже 18, а нам надо 16, значит 

два лишних электрона с Зр-подуровня надо убрать, и мы получим итоговую элек- 

тронную формулу серы: ls22s22p63s23p4. До Зd-пoдypoвня мы даже не дошли. Жизнь в основном строится из легких, сравнительно простых атомов. Формула 

ls22s22p63s23p6 описывает атом, у которого на два электрона, а значит и на два 

протона больше, чем у серы, а значит его порядковый номер - 18. Это инертный 

газ аргон. 

Давай теперь для закрепления знаний еще потренируемся и напишем электронную 

формулу атома калия - очень важного для жизни элемента. Его номер - 19, на 

один протон больше, чем у аргона. Значит добавляем один электрон на орбиталь 

3d? Нет, не добавляем. Вспоминаем, что электрону энергетически выгоднее раз- 

меститься на 4s-орбитали, имеющей самую простую форму, и получаем электронную 

формулу калия: ls22s22p63s23p64s1. Подуровень 3d у калия остается неиспользо- 

ванным. И формулу последующего атома под номером 20 

— кальция - также очень 

важного для жизни элемента, написать тоже легко: ls22s22p63s23p64s2. И только 

теперь, когда у кальция сферический подуровень 4s полностью заполнен двумя 

электронами, в следующем атоме - скандии (для биологии совершенно неважен), 

имеющем 21 электрон, двадцать первый электрон начнет заполнять подуровень 3d, 

так что электронная формула скандия выглядит так: ls22s22p63s23p64s13d1. 

Ты уже испытываешь чувство удовольствия и гордости от того, что такие, ка- 

залось бы, сложные электронные формулы атомов ты теперь понимаешь с легко- 

стью? Есть предвкушение разбираться дальше? Надеюсь, что есть, потому что те- 

перь мы можем сформулировать важнейшую закономерность, понимание которой про- 

ливает свет на природу химических связей: «правило октета». Эксперименты по- 

казывают, что всякий атом изо всех сил стремится иметь комплект завершенных 

внешних подуровней s+p. При этом незавершенность уровней d, f и т.д. значения 

не имеет. Почему это так, физики и сами до сих пор это достаточно ясно не по- 

нимают . 

Завершенным подуровнем называется такой, на котором разместилось столько 

электронов, сколько это вообще для него возможно по максимуму. Максимум воз- 

можного для s-подуровня 

— это 2 электрона, и максимум для р-подуровня 

— 6. 

Ситуация, когда атом имеет частично заполненные подуровни s и р, для него 

«некомфортна», т.е. энергетически менее выгодна, чем когда эти подуровни яв- 

ляются завершенными. Именно это и приводит к тому, что атомы вступают между 

собой во взаимодействие для того, чтобы их электронные s- и р-подуровни как 

можно больше приближались к состоянию завершенности за счет того, что их 

внешние электроны обобществляются, становятся общими. В этом и состоит физи- 

ческая суть химии. Химическое взаимодействие между атомами возможно только 

потому, что атомам энергетически выгодно обобществить свои внешние электроны, 

чтобы приблизить состояние своих внешних подуровней к завершенности. Как ка- 

мень стремится скатиться с горы, так и каждый атом стремится к состоянию с 

минимальной энергией, а значит 

— к состоянию, когда на его комплексе внешних 

(s+p)-подуровней находится ровно 8 электронов. Это правило и называется пра- 

вилом октета. 

И теперь легко понять, почему так называемые «благородные газы» (гелий, не- 

он, аргон, криптон, ксенон и радон) категорически не хотят образовывать ника- 

ких химических соединений. Им это просто незачем. У них внешний комплекс 

(s+p)-подуровней и так уже завершен, полностью заполнен электронами, и эта 

конфигурация настолько энергетически выгодна, что даже всевозможные и много- 

летние попытки ученых заставить их вступить в химические реакции терпят не- 

удачу. В последнее время кое-что на этом поприще ученым все-таки удалось, но 

для этого им пришлось невероятно изворачиваться с помощью очень высоких тем- 

ператур и давлений. И именно поэтому благородные газы не входят в биологиче- 

ские системы, не включаются в биохимию 

— химически они инертны, ни с кем со- 

единяться не хотят. 

Теперь представим себе, что атомы натрия (Na - номер 11) и хлора (С1 - но- 

мер 17) встретились. Чтобы понять, что при этом случится, достаточно написать их электронные формулы: 

Na: ls22s22p63s1 

CI: ls22s22p63s23p5 

Что мы видим? Мы видим, что у атома натрия на 3s-подуровне болтается один 

электрон. Ужасно неудобно! Если бы только деть его куда-то, тогда у него сна- 

ружи останется 2s22p6 

— завершенная пара (s+p)-подуровней 

— идеально удобно. 

Но просто вот так взять электрон и выкинуть атом не может, ведь у него в яд- 

ре, как ни крути, 11 протонов, а не 10, а значит этот неудобный электрон так 

и будет сидеть на своем месте, притягиваемый ядром. В то же время мы видим, 

что атому хлора не хватает ровно одного электрона на Зр-подуровне до достиже- 

ния состояния завершенности своей внешней s-p-пары. И ему тоже чрезвычайно от 

этого неуютно. Стоит только ему откуда-то этот электрон взять, как снаружи и 

у него будет конфигурация 3s23p6. Но он не может его захватить 

— нечем, ведь 

в его ядре ровно 17 протонов, а не 18, и нечем ему притянуть еще один элек- 

трон. Так вот они и бродят, неудовлетворенные жизнью, пока не встречаются. И 

что они тогда делают? Конечно, они бросаются в объятья друг друга, и при этом 

натриевый одиночный внешний электрон становится общим. Фактически он хоть и 

перетягивается на сторону хлора (позже будет ясно - почему), но и от натрия 

не отрывается насовсем, поскольку совокупный положительный заряд ядра атома 

натрия совершенно не собирается его с концами отпускать. Но теперь оба атома 

вполне удовлетворяются и этой сложившейся ситуацией, образуя соединение NaCl 

— хлорид натрия, или, проще говоря, поваренную соль. 

Те атомы, которые для достижения октета предпочитают преподносить партнеру 

свои электроны, называются «электронными донорами», ну или просто «донорами». 

Обычно донорами являются те атомы, у которых совсем мало электронов на внеш- 

них подуровнях. А те атомы, которые предпочитают подгребать к себе электроны, 

называются «электронными акцепторами», или просто «акцепторами» 

— как правило 

это те атомы, которым немного не хватает электронов для заполнения s- и р- 

подуровней. При этом доноры и акцепторы бывают разной силы, то есть одни ак- 

цепторы сильнее притягивают к себе электроны, а другие слабее. Одни доноры 

легче отдают свои электроны, а другие упрямятся, и происходит это в зависимо- 

сти от: 

1. Расстояния подуровня от ядра атома. Если у донора один электрон болтается 

где-то на далеких внешних орбиталях, то он уже довольно слабо притягивает- 

ся ядром 

— толпы лежащих ниже электронов его экранируют, заслоняют от по- 

ложительно заряженного ядра. Поэтому чем больше у донора протонов и элек- 

тронов, то есть чем дальше он расположен в периодической таблице, тем бо- 

лее эффективным донором он является, тем легче он отдает свой этот лишний 

электрон в совместное пользование. 

2. Количества лишних электронов. Если у атома на внешнем комплексе (s+p)- 

подуровней болтается лишь один электрон, то атом с максимальной силой ста- 

рается его отдать, ведь предчувствие комфорта так сильно! Если же электро- 

нов больше, то и донорная активность атома снижается. 

Аналогично обстоят дела и у акцепторов. Чем ближе к началу периодической 

таблицы акцептор, тем активней он стремится захватить себе электрон, и тем 

более сильным акцептором он является. И чем меньше ему нужно электронов, что- 

бы достичь завершенности, тем активнее он их ищет и хватает. Наиболее активны 

те акцепторы, которым не хватает лишь одного электрона. 

Удобно сравнить фтор и хлор: 

фтор: ls22s22p5 

хлор: ls22s22p63s23p5

Казалось бы 

— ситуация одинакова, ведь им не хватает на внешней паре (s+p)- 

подуровней лишь одного электрона, и они будут настойчиво его искать. Но фтор 

обладает гораздо большей силой, ведь у него намного меньше электронов, экра- 

нирующих положительный заряд ядра. Из всех химических элементов фтор 

— самый 

мощный акцептор, потому что он яростнее всех стремится заполнить свою пару 

подуровней (s+p). 

Во всех живых существах непрерывно происходит огромное количество химиче- 

ских реакций. Это и реакции разрушения веществ (например, расщепление длинных 

молекул белка, добытых из сырников и сметаны, на удобные для дальнейшего ис- 

пользования кирпичики-аминокислоты), и созидательные реакции (например, соз- 

дание органических молекул растениями из углекислого газа и воды). При этом 

термин «химическая реакция» прочно ассоциируется с неким активным процессом, 

с бурным выделением разных веществ во все стороны, поэтому иногда бывает уди- 

вительно осознавать, что именно химические реакции происходят ежесекундно 

везде в твоем теле. Еще удивительнее то, что эти реакции заключаются в пере- 

группировке атомов в составляющих наши тела молекулах. То есть клеточные ме- 

ханизмы при своей работе оперируют именно атомами, соединяя их или разъеди- 

няя, и часто ученые при всех достижениях современной науки не могут повторить 

то, на что эти клеточные механизмы способны. 

Если представить себе атом как шарик, в центре которого находится ядро, во- 

круг которого летают электроны, то не очень понятно 

— каким образом такие 

штуки могут соединяться друг с другом. Поэтому стоит рассмотреть другую мо- 

дель их взаимодействия. Можно представлять электрон не в виде частицы, летаю- 

щей вокруг ядра, а в виде облака, окутывающего ядро со всех сторон. Это обла- 

ко может быть толще в каких-то местах и тоньше в других, или оно может сдви- 

гаться на одну сторону атома сильнее, чем на другую, в зависимости от того, 

что происходит в окрестностях атома. Например, если рядом с этим атомом нахо- 

дится другой атом, имеющий положительный заряд (т.е. ион), то отрицательно 

заряженное электронное облако будет толще со стороны этого второго атома, 

ведь положительные и отрицательные электрические заряды притягиваются. А ино- 

гда достаточно того, чтобы какой-то соседний атом сильнее притягивал электро- 

ны, чем тот, который мы сейчас рассматриваем. Тогда электронное «облако» час- 

тично стягивается с рассматриваемого атома и тянется в сторону соседнего, не- 

много «оголяя» положительно заряженное ядро, и за счет этого атом приобретает 

частичный электрический заряд. Такой заряд по величине меньше, чем единица 

измерения электрического заряда: это может быть половина величины заряда про- 

тона , или треть. 

Давай рассмотрим это перетягивание электронного облака на примере молекулы, 

образованной атомом углерода (С) и кислорода (О) - это так называемая карбо- 

нильная группа2 (или карбонил): >С=0. Здесь и далее значок «>» обозначает две 

свободные связи, которые может образовать атом с какими-то другими атомами. 

Здесь видно, что между атомами углерода и кислорода стоят две связывающие 

их палочки 

— это обозначает, что у них две общих пары электронов, т.е. эти 

четыре обобществленных электрона принадлежат одновременно обоим атомам. При 

этом атом кислорода имеет более сильную электроотрицательность, чем атом уг- 

лерода, то есть кислород сильнее тянет общие электроны на себя, и карбониль- 

ная группа поэтому становится полярной молекулой: возле кислорода она имеет 

частичный отрицательный заряд, а возле углерода 

— частичный положительный. 

Эти частичные заряды позволяют карбонильной группе активно участвовать в хи- 

мических реакциях. Например, положительно заряженный атом углерода начинает 

тянуть на себя электроны других атомов, и может дотянуть какие-то из них так, 

2 Мнемоническое правило для запоминания этой группы: «что выбрать из двух 

почти равных: карбон (углерод) + иль кислород?».что они обобществятся между карбонильной группой и атомом-донором. В резуль- 

тате образуется еще одна связь между атомами, и карбонильная группа включится 

в часть другой крупной молекулы. В свою очередь и отрицательно заряженный 

атом кислорода может притягивать к себе протон, и даже захватывать его, пусть 

не очень устойчиво, ведь у кислорода в данной ситуации все-таки не полноцен- 

ный , а лишь частичный отрицательный заряд. В такой ситуации карбонильная 

группа соединяется с протоном, а протон 

— это ядро атома водорода, так что 

получается молекула из трех атомов. Получается, что электроны играют роль 

подвижного «клея» при химических реакциях.

Логично задаться вопросом: в чём причина того, что количество орбиталей 

только нечетное: 1 на s-уровне, З на р-уровне, 5 на d-уровне, 7 на f-уровне? 

Ответа никто не знает. Есть разные модели, которые более или менее логично 

это объясняют, но, тем не менее, пока что надо просто принимать это как не- 

объяснимое явление природы. Мы очень многое не можем объяснить в атомной фи- 

зике . Почему у электрона именно такой заряд? Почему именно такая масса? Поче- 

му то, почему се 

— на огромное число таких вопросов ответа нет. Возможно, что 

по крайней мере на часть этих вопросов нам даст ответы теория струн3, которая 

является самой многообещающей в современной фундаментальной физике. Первая 

проблема тут в том, что развитие теории струн требует невероятно сложной ма- 

тематики 

— гораздо более сложной, чем та, что требуется для квантовой механи- 

ки, квантовой хромодинамики. Поэтому в мире есть буквально несколько десятков 

человек, которые разбираются в ней хорошо на том уровне, который достигнут на 

данный момент. 

И вот всех этих ученых пока что слишком мало, чтобы активно продвигаться 

вперед. Вторая проблема состоит в том, что экспериментальная физика почти ни- 

чего теории струн дать не может 

— наши технологии бесконечно далеки от того, 

чтобы достичь параметров, нужных для проверки и развития теории струн. Будем ждать.

Report Page