Глава 4 .
Атомы стремятся занять максимально выгодную энергетическую конфигурацию.
Когда встречаются, к примеру, два атома водорода, то они образуют молекулу Н-
Н, или Н2, в которой они обобществляют свои единственные электроны, что и
приводит к тому, что их единственный s-уровень полностью заполняется, поэтому
получившаяся конфигурация устойчива. Электроны, участвующие или готовые уча-
3 Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фунда-
ментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультра-
микроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10~35 м.
ствовать в таком межатомном обобществлении, называются валентными. У атома
водорода только 1 валентный электрон.
Атомы водорода одинаковы, поэтому их ядра притягивают электроны с равной
силой, и в итоге получается симметричное электронное облако, в котором нет
никаких смещений электронных облаков в сторону первого или второго атома. Су-
ществуют разные способы для иллюстрации этого явления. Например, можно так
изображать атомы, чтобы точками указывать количество электронов на их внешних
уровнях, ведь именно эти, внешние электроны важны для понимания химических
взаимодействий.
На этой схеме мы видим, что одинокий атом водорода слева подписан как буква
Н с точкой слева. Эта точка и изображает единственный электрон водорода. Под-
пись справа Н:Н показывает явление обобществления электронов - это означает,
что образовалась электронная пара (имеется в виду, что каждый из двух атомов
отдает в общее пользование по одному электрону, отсюда и название - электрон-
ная пара). Теперь в распоряжении каждого атома водорода появилось 2 электро-
на, и все счастливы.
Более привычный способ записи таков, что с помощью горизонтальной черты
изображается одна общая электронная пара, и тогда запись принимает вид Н-Н.
Формулы с использованием черточек называются «структурными формулами». Так
как атом водорода может образовать только одну такую связь, то говорят, что
его валентность равна 1.
После того, как электроны обобществлены, они начинают принадлежать молекуле
в целом, то есть уже нельзя сказать, что такой-то электрон принадлежит одному
атому, а такой-то
— другому. Электроны молекул образуют единое молекулярное
электронное облако. Такой способ связывания двух или нескольких атомов, кото-
рый осуществляется с помощью обобществления электронов, называется ковалент-
ной связью. При этом такая ситуация, при которой связываются одинаковые ато-
мы, и в результате общая пара электронов не смещена ни в какую сторону, носит
название неполярной ковалентной связи. Это очень важный момент, и надо обяза-
тельно его понять: ковалентная связь возникает только в том случае, корда
происходит обобществление электронов атомами, то есть когда у атомов есть хо-
тя бы одна общая пара электронов (или, иначе говоря, «электронная пара»).
Такая же ситуация возникает, если объединяются два атома хлора. Хлор в пе-
риодической таблице имеет номер 17, значит у него 17 протонов и 17 электро-
нов. Электронная формула: ls22s22p63s23p5. Нас интересуют только его внешние
(s+p)-подуровни, которые для хлора выглядят так: s2p5, а значит каждому атому
хлора, как и водороду, необходимо получить еще по одному электрону для полу-
чения состояния завершенности в соответствии с правилом октета, поэтому атомы
хлора легко объединяются в неполярную молекулу С12, получая желаемое.
Если мы подойдем к молекуле С12 слева или справа, мы не заметим никакой
разницы
— электронные облака будут неотличимы с обоих боков. Вид сверху и
снизу тоже идентичен, то есть, проще говоря, молекула CI2 обладает как гори-
зонтальной, так и вертикальной симметрией. Общая электронная пара находится
на равном расстоянии от ядер обоих атомов.
Неполярная ковалентная связь может быть двойной, или даже тройной, если два
атома делят между собой две или три пары электронов. Например, два атома ки-
слорода образуют двойную связь.
Кислород имеет номер 8. Его электронная формула: ls22s22p4. Ему не хватает
двух электронов для завершенности внешнего комплекса (s+p)-подуровней. Соеди-
няясь между собой, два атома кислорода делят между собой две пары электронов,
что записывается как 0=0, где каждая черточка обозначает одну электронную па-
ру. Двойная связь почти в десять раз крепче одинарной. Так как кислород может
образовывать двойную ковалентную связь, то его валентность равна 2.
Легко понять, что тройную связь между собою образуют те атомы, у которых
для заполнения внешнего комплекса (s+p)-подуровней не хватает 3-х электронов.
Таким атомом является, к примеру, азот (номер 7: ls22s22p3)
. Валентность азота
равна трем, потому что он может образовывать три ковалентных связи.
Тройная ковалентная связь в два раза крепче, чем двойная.
Четверная ковалентная связь между двумя атомами (то есть 4 общие электрон-
ные пары между двумя атомами) не встречается, возможно потому, что такая кон-
фигурация слишком энергетически невыгодна, неустойчива
— между двумя атомами
не так много места, и так много электронов там уже просто не помещаются и они
начинают расталкивать друг друга. Те элементы, которым для заполнения не хва-
тает 4-х электронов, могут образовывать суммарно четыре ковалентных связи с
двумя, тремя или четырьмя атомами. Так, например, углероду (ls22s22p2) не хва-
тает 4-х электронов. При этом он находится в ситуации, когда его 2р-электроны
сидят каждый в одиночестве на своей р-орбитали, и значит каждый из них может
образовать пару с каким-то электроном другого атома, т.е. в сумме образовать
две ковалентные связи, a 2s-электроны углерода спарены друг с другом на 2s-
орбитали, и поэтому они уже не могут ни с кем больше спариться. Значит ва-
лентность углерода в этом положении и равна двум. Но если один из его 2s-
электронов поглотит такой квант энергии, который позволит ему перескочить на
свободную 2р-орбиталь, тогда у углерода станет 4 неспаренных электрона, и уг-
лерод теперь сможет создать 4 электронные пары, т.е. например присоединить к
себе 4 атома водорода и образовать с ними в сумме 4 ковалентных связи (по од-
ной с каждым). Валентность углерода в этом соединении равна 4.
Теперь мы можем сформулировать определение молекулы: молекула - это группа
атомов, связанных ковалентной связью. Молекулы - очень прочные объекты, но
они слишком маленькие, чтобы мы могли наощупь испытать - насколько они проч-
ны. Или бывают молекулы и покрупнее? Вообще-то бывают. Например, алмаз пред-
ставляет собой огромное множество атомов углерода, соединенных между собой
именно ковалентными связями. Теперь становится понятным - почему алмаз такой
прочный, и насколько прочными являются молекулы.
Итак, если два одинаковых атома образуют ковалентную связь, то общая элек-
тронная пара находится на одинаковом расстоянии от каждого из них. Немного
другая ситуация возникает в том случае, если соединяются разные атомы. В ка-
честве примера возьмем молекулу воды Н20, состоящую из одного атома кислорода
и двух атомов водорода (молекула, состоящая из атомов двух разных элементов,
одним из которых является кислород, называется оксидом). Посмотрим на состоя-
ние внешних электронных уровней атомов.
Н: Is1
О: ls22s22p4
Мы видим, что кислороду не хватает двух электронов для состояния завершен-
ности. Когда он прицепляет к себе по одному электрону от каждого атома водо-
рода, то для него наступает состояние завершенности, и то же самое происходит
с каждым атомом водорода. По некоторым причинам молекула воды не имеет гори-
зонтальной оси симметрии, это будет объяснено позже и сейчас не имеет значе-
ния. Сейчас важно то, что акцепторная сила атомов кислорода и водорода нерав-
на. Акцепторная сила кислорода выше, потому что ему надо «занять» намного
меньше электронов для заполнения пары внешних (s+p)-уровней. Это означает,
что кислород обладает более сильной страстью к достижению состояния завершен-ности, потому что его энергетический выигрыш при переходе к завершенному со-
стоянию выше, чем у водорода, и он подтягивает электроны к себе поближе.
Может ли существовать молекула Н202? Может, и существует, и у нее вот такая
конфигурация: Н-О-О-Н. У этой молекулы есть и вертикальная и горизонтальная
оси симметрии, и она называется «пероксид водорода».
Итак, для обозначения силы, с которой атом притягивает к себе электроны с
целью достичь состояния завершенности, ввели термин «электроотрицательность».
Рекордсменом по величине этой силы является фтор (F) , кислород (О) - на вто-
ром месте, и хлор (С1) - на третьем. Вот такая тройка лидеров. Водород имеет
среднюю величину электроотрицательности несмотря на то, что ему тоже не хва-
тает только одного электрона, и этот дефицит имеет место еще ближе к ядру,
чем у фтора. Это объясняется тем, что сила электроотрицательности, генерируе-
мая незаполненностью лишь s-подуровня, намного слабее, чем та, которая возни-
кает от незаполненности внешней пары s-p-подуровней. Поскольку электроотрица-
тельность кислорода выше, чем у водорода, то общая их электронная пара нахо-
дится не строго между ними на равном расстоянии, а смещена в сторону атома
кислорода, и возникает полярная ковалентная связь, которая приводит к необыч-
ному эффекту. Несмотря на то, что каждый атом кислорода и водорода по отдель-
ности являются электрически нейтральными, соединившись между собой, они обра-
зовали молекулу, которая, конечно, тоже электронейтральна, если смотреть на
нее с далекого расстояния, ведь количество протонов в молекуле по-прежнему
равно количеству электронов. Но что произойдет, если мы начнем постепенно
приближаться к молекуле воды со стороны любого из атомов водорода? Поскольку
принадлежащий водороду электрон немного оттянут в сторону кислорода, влияние
отрицательного заряда электрона, которое раньше уравновешивало влияние поло-
жительного заряда протона, уменьшится, и приближаясь к молекуле воды со сто-
роны водорода мы почувствуем хоть и слабый, но вполне отчетливый положитель-
ный заряд. На схеме молекулы воды он обозначен буквой дельта со значком
«плюс» (б+)
. А если мы начнем приближаться со стороны кислорода, то благодаря
перетянутым к себе электронам этот конец молекулы воды имеет слабый отрица-
тельный электрический заряд (5~)
. Поскольку в целом молекула воды электриче-
ски нейтральна, мы можем написать, что 5~
= 25+. На картинке суммарный отри-
цательный заряд молекулы нарисован синим цветом, а положительный - красным.
Таким образом, на близком расстоянии молекула воды представляет собою так
называемый диполь, то есть объект, обладающий двумя полюсами
— положительным
и отрицательным.
Именно за счет того, что молекулы воды являются хорошо выраженными диполя-
ми, они достаточно сильно притягиваются друг к другу своими противоположно
заряженными частями, что очень важно для объяснения многих физических и хими-
ческих свойств воды. Мы знаем, что водой можно довольно легко отмывать разные
загрязнения (за исключением тех, в которых много жира). То есть вода является
отличным растворителем, и происходит это также в силу того, что молекулы воды
своими заряженными концами буквально растаскивают в стороны полярные молекулы
других веществ.
Благодаря тому, что молекулы воды являются диполями и притягиваются друг к
другу, у воды сильное «поверхностное натяжение»
— это означает, что молекулы
воды образуют крепкую поверхность, которую не так-то легко разорвать. Водо-
мерка может стоять на воде, опираясь на неё своими покрытыми жиром лапками, и
не проваливаться. На поверхность воды можно даже аккуратно положить смазанную
жиром монету, и она не утонет, потому что для того, чтобы монета утонула, не-
обходимо, чтобы вода сильно увеличила свою площадь, т.е. чтобы расстояние ме-
жду молекулами воды увеличилось и пропустило внутрь монету (ведь «забраться»
на поверхность монеты вода не может, поскольку она не смачивает жир)
. Благо-
даря своей дипольной природе, молекулы воды «ползут» вверх по стенкам капил-
ляров внутри стволов деревьев или в кровеносных сосудах. Они делают это безо
всякого мотора только за счет того, что полярные молекулы воды сцепляются со
стенками капилляров, прилипают к ним сильнее, чем друг к другу.
Благодаря этому же, вода обладает высокой температурой кипения
— не так-то
просто разорвать силы притяжения между ее молекулами, чтобы жидкость превра-
тить в газ. Вода обладает очень высокой теплоемкостью, то есть может погло-
тить в себя много теплоты, поскольку поглощаемая энергия используется на об-
разование новых связей между молекулами
— одна молекула воды может образовы-
вать связи одновременно с 6-ю соседками. А высокая теплоемкость воды делает
климат Земли мягким, поскольку летом огромное количество тепла поглощается
океанами, не давая тем самым Земле перегреться, а во время зимы океаны это
тепло начинают отдавать, не давая Земле переохладиться. Именно благодаря та-
кой структуре молекул воды, океаны играют роль термоса планетарного масштаба.
Более того, благодаря этому на Земле вообще зародилась жизнь, поскольку по
мере охлаждения воды связи между молекулами воды рвутся (для их поддержания
уже не хватает энергии), молекулы перестают так тесно притягиваться друг к
другу и немного раздвигаются, расходятся чуть в стороны, что и приводит к то-
му, что водяной лед имеет плотность значительно меньшую, чем плотность жидкой
воды. Поэтому когда водоем замерзает, он покрывается льдом сверху
— лёд
всплывает, имея меньшую плотность, чем плотность воды, после чего начинает
играть роль защитного теплоизолирующего экрана для оставшейся под ним жидкой
воды. Если бы плотность водяного льда была выше, чем плотность жидкой воды,
как это происходит у огромного большинства жидкостей, то лед опускался бы на
дно и земные водоемы промерзали бы зимой насквозь, и вряд ли жизнь могла бы в
таких условиях зародиться4 и уцелеть.