Химическая связь

Химическая связь

Разные сорта атомов взаимодействуют зачастую совершенно по-разному: можно предположить, что эта непохожесть обусловлена коренными различиями тех «механизмов», которые соединяют атомы друг с другом в кристалле поваренной соли или в молекуле углекислоты. В чем тут дело? Объяснение было получено лишь в двадцатых годах прошлого века. К сожалению, как и все современные открытая, оно оказалось не слишком-то простым. Надо сразу же предупредить, что наши объяснения природы химической связи претендуют лишь на то, чтобы сформировать самое общее представление об этой деликатной теме.

Существуют ли идеальные (то есть в чистом виде почти не встречающиеся) схемы химическом связи; ионная и гомеополярная (ковалентная). Слово «ионная» нам знакомо. Все знают, что атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Обычно атом электрически нейтрален: заряды равны по величине, центры тяжести ядра и электронной оболочки совпадают. Если электронная оболочка теряет один электрон, то атом превращается в положительный ион; захватив один электрон, атом становится отрицательным ионом. Атомы могут терять и по нескольку электронов — в этом случае их называют многократно ионизированными.

Представим себе, что один атом передал другому один электрон. Оба атома стали заряженными, превратились в ионы. Между этими ионами, заряды которых противоположны по знаку, возникает электрическое притяжение. Атомы начнут сближаться, но на каком-то расстоянии силы электростатического притяжения уравновесятся отталкивающими силами электронных оболочек: атомы как бы упираются друг в друга. Для данной пары ионов расстояние между ядрами атомов, на котором уравновешены силы отталкивания и притяжения, называется равновесным межатомным расстоянием. Легче всего отдают электроны атомы щелочных металлов, охотнее всего присоединяют электрон атомы галоидов (фтора, хлора, брома, йода). Казалось бы, все ясно. Ионная связь объяснена, мы знаем теперь, какие силы соединяют атомы хлора и натрия в кристалле поваренной соли.

Но краткое размышление показывает, что мы продвинулись не очень далеко. Во-первых, совсем не годится модель ионной связи для молекулы, например, кислорода. Никак не предположишь, что при образовании молекулы из двух одинаковых атомов один превращается в отрицательный, а другой — в положительный. Во-вторых, не очень понятно, что заставляет атомы отталкиваться, когда расстояние между ядрами меньше равновесного?

Здесь на нашем пути встречается одна из областей странного мира квантовой механики. Нам придется поговорить о принципе Паули, а для этого совершить короткий бросок в атомную физику. Начнем, естественно, с самого простого атома — с водорода. Вокруг ядра атома водорода — прогона — «размазан», образуя облакообразную оболочку, единственный электрон. Такое утверждение вряд ля удивит читателя. Сейчас уже никто, пожалуй, не представляет себе электрон как простую частицу, вращающуюся вокруг ядра атома.

Опыт показывает (а квантовая механика объясняет), что электрон в атоме водорода может иметь лишь строго определенный набор энергии. Говорят, что электрон может находиться на определенных энергетических уровнях. Уровни нумеруются главным квантовым числом n. Чем больше n? тем выше энергетический уровень, а значит, большей энергией обладает электрон и больше размер орбиты, по которой он движется вокруг ядра. Электрон свободного атома водорода, не подвергающегося каким-либо воздействиям, находится на первом (n=1), самом низком энергетическом уровне. Атом может поглотить лишь такой квант энергии, который соответствует разности между какими-либо его электронными энергетическими уровнями. Про атом, поглотивший квант, говорят, что он находится в возбужденном состоянии. Спустя короткое время атом переходит на более низкий уровень, излучая квант электромагнитного излучения — фотон. В зависимости от энергии фотонов мы наблюдаем в атомных спектрах линии разных цветов.

Исключительное богатство и сложность картин, наблюдаемых в атомных спектрах, доказывают, что состояние электрона в атоме зависит не от одного квантового числа. Квантовая механика внесла полную ясность в этот вопрос.

Оказалось, что при данной энергии орбита электрона может иметь разную форму. Сложность формы электронного облака определяется значением орбитального квантового числа l. Когда l=0, то облако имеет форму сферическом оболочки, обволакивающей ядро; плотность облака плавно нарастает по мере удаления от ядра, на определенном расстоянии достигает наибольшего значения и затем убывает. Такая простейшая электронная орбита называется S-орбитой. Когда l растет, электронное облако сгущается вдоль определенных радиальных направлений и слегка «расслаивается». Если уподобить атом в S-состоянии одуванчику с его сплошным дымчатым венчиком вокруг центра, то при l=0 «моделью» электронной оболочки будет частично облетевший одуванчик, на котором остались лишь два пучка парашютиков, находившихся на одной прямой. В порядке роста и усложнения формы электронные облака обозначаются буквами s, р, d, f.

Поместим атом в магнитное поле. Ясно, что, как ни поворачивай шарообразную S-оболочку по отношению к силовым линиям магнитного поля, ее энергия меняться не будет. Но энергия р, d и других более сложных по форме оболочек будет меняться в зависимости от их ориентации в магнитном поле. Углы между «лепестками» электронной оболочки и направлением магнитного поля не могут быть произвольными, их разрешенные значения определяются магнитным квантовым числом m. Но и это не все! Опыт и теория подсказывают, что электрон обладает определенным свойством, которое по отдаленной аналогии можно сравнить с вращением вокруг собственной «оси». Это свойство так и назвали — «спин», произведя его от английского слова «spin» — «крутиться». Спин обусловливает существование у электрона магнитного момента, поэтому в магнитном поле квантовые свойства электрона разрешают две ориентации спина — по полю и против поля.

Теперь мы, наконец, накопили достаточно сведений, чтобы сформулировать замечательный закон природы — принцип Паули, «регулирующий» порядок застройки электронных оболочек в более тяжелых атомах. Формулировка принципа проста: в состоянии с заданными значениями чисел n, m, l могут находиться лишь два электрона с противоположно направленными спинами. Два и только два! Приходится признать, что электроны — большие индивидуалисты: они могут «жить» лишь в отдельных «энергетических квартирах» и никого не пускают к себе в гости, кроме одного «ближайшего родственника» — электрона с противоположно направленным спином. Та же причина обусловливает отталкивание ионов на расстояниях, меньших равновесного: электроны одного атома не пускают на свою территорию «чужаков» из другого атома.

Рассматривая ионную связь, мы уже убедились, что химическая связь должна соответствовать минимальной энергии взаимодействия атомов. Для того, чтобы объяснить природу химической связи в молекуле, например, водорода Н3, мы должны установить, не возникает ли какой-либо выигрыш в энергии при объединении в молекулу двух атомов водорода. Действительно, в квантовой механике доказывается, что всякое расширение пространства, в котором может двигаться электрон, приводит к понижению энергии. Продолжая наше сравнение, отметим, что из двух предлагаемых природой «энергетических квартир» электрон, не колеблясь, выбирает большую.

Представим себе, что сблизились два атома водорода. У каждого по одному электрону. Принцип Паули разрешает двум электронам объединить области своего существования, а указанный нами закон делает такое объединение в высшей степени вероятным. Размер «энергетической квартиры» для электронов у слившихся атомов возрастает, энергия понижается; следовательно, два электрона с противоположно направленными спинами обеспечивают возникновение химической связи между одинаковыми (и незаряженными) атомами. Пусть к образовавшейся молекуле Н3 приблизился третий атом водорода. Принцип Паули помогает нам предсказать, что произойдет. Третий электрон не будет впущен в занятую «квартиру»: оба свободных места в молекуле водорода заполнены двумя электронами с противоположными спинами, третий — лишний.

Два и только два электрона образуют химическую связь второго типа, которую назвали гомеополярной. Трудное слово «гомеополярный» имеет простои смысл. «Гомео» по-гречески — «одинаковый». Гомеополярная связь — это связь, образованная зарядами одинакового знака (электронами). Словами «третий — лишний» мы охарактеризовали очень важное свойство гомеополярной связи: эта связь «насыщается», общая квартира двух электронов надежно изолирована от остального мира. В этом разительное отличие гомеополярной связи от ионной: электрический заряд может взаимодействовать с любым числом соседей.

Как же увеличить способность атома к образованию гомеополярных связей, как увеличить его общительность? Поверхностный ответ прост: надо добавить электроны в его оболочку. Но вот электронная оболочка атома гелия содержит два электрона, а все знают об инертности гелия, — он вообще не образует химических соединении. Вооруженные принципом Паули, мы легко разберемся в причине этого: раз два электрона образовали устойчивую, отгороженную от внешнего мира систему, значит, их спины выстроились навстречу, два электрона обобществили пространство, занимаемое ими вокруг ядра; любой третий для них — лишний. А вот литий — очень общительный элемент и, подобно водороду, с исключительной готовностью образует одну гомеополярную связь. Таким образом, принцип Паули позволяет объяснить застройку электронных оболочек и чередование свойств элементов, выстроенных в таблице Менделеева.

Такое важное свойство, как валентность, получило при помощи квантовой механики надежное физическое обоснование. Любой атом может образовать лишь ограниченное число гомеополярних связей, это число равно числу электронов с «неспаренными» спинами во внешней электронной оболочке. В создании каждой связи участвует пара электронов с противоположными спинами, имеющая общее «жизненное пространство».

Автор: Э. Федин.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что дальнейшие научные исследования в области химических связей могли бы перерасти в перспективный стартап, для финансирования которого и привлечения инвестиций можно было бы даже использовать ХайпСтат, а что Хайп инвестиции в науку, звучит весьма интересно.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *