Чудесная молекула: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

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.

4. Путешествие по горам и долинам или как реагируют молекулы?

4.1. Будничная жизнь молекулы

Как в природе (в воздухе, в море и на земле), так и в колбе химика молекула в любой момент может оказаться вовлеченной в реакцию. Контакт с другой молекулой может привести к образованию одной или двух новых молекул путем создания новых связей между атомами сталкивающихся молекул. Иногда эта встреча служит лишь источником энергии, необходимой для того, чтобы первая молекула сама перераспределила свои связи.

Молекула похожа на велосипедиста-гонщика, которому нужно преодолеть холм (образ энергии, необходимой для реакции) да, кроме того, еще и преобразиться по дороге! То же самое можно сказать и о реакции между несколькими молекулами

[2] Значит, эта волна имеет зону покоя в плоскости молекулы. Но в отличие от неудобной волны, эта зона покоя не разделяет ядра, а потому и не мешает электронам.