Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

В таблице Менделеева, помимо порядкового номера элемента, существует и еще одно очень "удобное" число – номер периода, то есть горизонтального ряда. Фактически он представляет собой этаж для размещения электронов, при этом количество доступных этажей для конкретного элемента точно соответствует номеру периода в таблице. У водорода и гелия – только один уровень (этаж), на котором могут находиться электроны, и на нем находится одна однокомнатная квартира – то есть s-орбиталь.

Есть общее правило для всех орбиталей: в каждой из них может помещаться не более двух электронов, что несколько напоминает принцип распределения жилой площади у людей – для двух человек вполне достаточно однокомнатной квартиры. Возникает естественный вопрос: почему только два электрона могут находиться на одной орбитали, ведь пространство орбитали весьма просторное, а электроны предельно малы? Ответ на этот вопрос был получен в результате работы высокопрофессиональных физиков, а потому совершим небольшую экскурсию в прошлое.

В 1922 г. два немецких физика О. Штерн и В. Герлах провели эксперимент, который стал исторически значимым. Они пропустили пучок атомов серебра через магнитное поле и на выходе получили два разделившихся луча. Это было неожиданно, ведь атомы серебра одинаковы, и у каждого имеется по одному электрону на внешней (валентной) орбитали. Заряды электронов одинаковы, но реагируют по-разному на магнитное поле. Позже такое же обнаружили у щелочных металлов (Li, Na), имеющих один электрон на валентной орбитали.

Объяснение дали два американских физика Дж. Ю. Уленбек и С. А. Гаудсмит. Они предположили, что у электрона есть собственный магнитный момент, но для того, чтобы он появился, заряженная частица должна вращаться наподобие волчка. Так появился термин "спин электрона" (от англ. spin – «вращение»). Важно, что это вращение не беспорядочное, а вокруг воображаемой оси, именно так, как в случае с волчком. Дело в том, что волчок можно раскрутить либо справа налево, либо слева направо, а третьего варианта не существует – авторы использовали смелую аналогию. Образ волчка как иллюстрация «спина электрона» оказался наглядным и исключительно удачным, хотя и не имеет никакого отношения к реальности. Никто никогда не видел вращение электрона и, скорее всего, никогда не увидит. Удобный термин «спин электрона» вошел в учебники, и некоторые ученики поначалу думают, что электрон вращается, как волчок. Но важно то, что, как и волчок, который имеет только два направления вращения, спин имеет два состояния, которые стали обозначать стрелками, направленными вверх ↑ или вниз ↓. Понятие спина оказалось исключительно полезным и позволило объяснить магнитные свойства веществ.

В 1925 г. швейцарский физик-теоретик В. Паули, обобщив существующие результаты по изучению строения атомов, сформулировал общие принципы состояния электронов в атоме. Эти принципы соблюдаются строго и не знают исключений, потому они получили название "запрет Паули". Из этого запрета следует, что на одной орбитали не могут находиться два электрона с одинаковым спиновым состоянием – только с противоположно направленными спинами ↑ и ↓. Следовательно, добавить на орбиталь третий электрон невозможно, так как его спин будет направлен либо вверх ↑, либо вниз ↓, то есть так же, как у одного из двух уже имеющихся. Точно так же невозможно запустить на столе три волчка, которые вращались бы в три разные стороны. В 1945 г. В. Паули получил Нобелевскую премию по физике "за открытие принципа запрета, названного его именем".

Итак, стало понятно, почему на одной орбитали может находиться только два электрона. Оставалось выяснить, как же происходит сам процесс заполнения орбиталей электронами. В 1927 г. немецкий физик Ф. Хунд сформулировал соответствующее правило. Согласно этому правилу, каждый новый электрон занимает пустующую орбиталь, и только в том случае, если пустых комнат – орбиталей – нет, они начинают подселяться к имеющимся «жильцам». Это очень похоже на поведение незнакомых между собой людей, заселяющих пустующую гостиницу или занимающих места в пустом автобусе. Правило действует только для простых веществ, состоящих из атомов одного типа, но как только атом входит в состав химического соединения, правило может нарушаться, начинается «подселение» одного электрона к другому (но не более двух на одной орбитали!!!), и при этом освобождается какая-то орбиталь, то есть происходит «уплотнение жильцов и частичное освобождение жилплощади». Это с удовольствием и весьма успешно изучает химия комплексных соединений.

Итак, к началу 1930-х гг. была в основном построена электронная структура всех известных к тому времени элементов. Продолжим заполнять электронами элементы второго периода.