Чудесная молекула

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

 

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.