Чудесная молекула: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Молекулы, из которых состоит воздух

Как правило, наиболее простыми молекулами являются те, между которыми существуют самые слабые связи, т.е. никаких химических связей, никаких водородных мостиков и даже никакого притяжения между электрическими зарядами противоположного знака, которые могли бы нести две молекулы. Такие молекулы — среди них молекула азота (два атома азота, связанные тройной связью) и молекула кислорода (два атома кислорода, связанные двойной связью) — вообще нельзя упаковать. Они остаются на большом удалении друг от друга и образуют пар или газ.

Схематическое изображение расположения молекул в воздухе, которым мы дышим

Воздух, которым дышат обитатели Земли, — это смесь, в которой на три молекулы азота приходится одна молекула кислорода. Изредка попадаются более редкие атомы, например атомы аргона. В противоположность твердым телам и жидкостям, газы и воздух в основном пусты: расстояние между двумя соседними молекулами почти в пятьдесят раз превышает размеры самих молекул. И к тому же молекулы постоянно меняют свое положение, перемещаясь с большой скоростью.

3. Застывшие волны (электроны внутри атома)

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