Чудесная молекула: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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