Как атомы крепятся друг к другу
Как устроена поваренная соль? Почему вода кипит при 100 °С? Еще важнее: почему кусок металла подобен общине хиппи? Ответы на эти и многие другие вопросы можно отыскать, уделив внимание крошечным отрицательно заряженным частицам - электронам, что витают вокруг атомов и между ними.
Атомы крепятся друг к дружке. А если бы было не так? Ну, для начала, во Вселенной воцарился бы страшный кавардак. Без связей и сил, удерживающих материю изнутри, ничто не существовало бы в привычном нам виде. Все атомы, из которых состоят ваше тело, голуби, мухи, телевизоры, кукурузные хлопья, Солнце и Земля, болтались бы себе в практически бескрайнем море атомов. Так что же соединяет атомы?
Отрицательный заряд
Так или иначе, атомы внутри молекул и веществ соединены между собой электронами — крохотными субатомными частицами, образующими облако отрицательного заряда вокруг положительно заряженного ядра. Электроны упорядочены внутри атома в соответствии со своим уровнем энергии и образуют электронные оболочки вокруг ядра, а поскольку у атомов каждого элемента разное количество электронов, на внешней оболочке атомов оказывается разное число электронов. Электронное облако атома натрия выглядит не так, как у хлора, и у этой разницы есть свои интересные следствия. Скажем больше: это вообще причина их соединения. Натрий легко отдает единственный электрон с внешней оболочки. Потеря одной отрицательно заряженной частицы превращает атом натрия в положительно заряженный ион (Na+). А вот атом хлора легко присоединяет один электрон и так заполняет свою внешнюю электронную оболочку, превращаясь в отрицательно заряженный ион (С1-). Противоположности притягиваются — и извольте: получается химическая связь. И немножко соли — хлорида натрия (NaCl).
Вдумавшись в Периодическую таблицу, понимаешь, до чего легко электроны добыть и потерять и что именно распределение отрицательного заряда определяет, как атомы вещества крепятся друг к дружке. От того, как электрон добыт, отдан или перешел в общее пользование, зависит тип связи между атомами и типы веществ, которые из этих атомов состоят.
Жизненные ситуации
Есть три основных типа химических связей. Начнем с ковалентной, в которой каждая молекула вещества — семейка атомов с несколькими общими электронами. Эти электроны спарены лишь между членами семьи одной молекулы. Представьте себе жизненную ситуацию: каждая молекула, или семья, обитает в симпатичном отдельном домике, держит в нем свое добро, сама по себе. Так живут молекулы вроде диоксида углерода, воды и аммиака — пахучего вещества, которое самопроизвольно улетучивается из удобрений.
«Я только что вернулся с кратких каникул, куда взял с полдесятка детективов и вашу книгу «химическая связь». Ваша оказалась самой увлекательной» Американский ученый Гилберт Льюис, из письма Лайнусу Полингу (1939)
Ионные связи возникают по принципу «противоположности притягиваются», как в случае с хлоридом натрия в примере с поваренной солью. Такой вид связи подобен житью в многоквартирнике, где у любого обитателя есть соседи слева и справа, а также сверху и снизу. Тут уже нет отдельных домиков, это одно высотное здание. Свой скарб жильцы в основном держат при себе, однако близкие соседи берут или отдают электрон-другой. Это связывает их между собой — образуются соединения с ионными связями, и атомы не расстаются друг с другом, потому что существуют как противоположно заряженные ионы.
А есть еще металлическая связь. Связь в металлах несколько страннее. Возникает она по тому же принципу притяжения противоположных зарядов, но тут у нас не жилая высотка, а, скорее, община хиппи. Все электроны — обобществленные. Эти отрицательные заряды вольно обретаются в металле, и положительно заряженные ионы металла то берут их себе попользоваться, то возвращают в коллективный котел. Поскольку все общее, нет никакого воровства — словно все держатся вместе на чистом доверии.
На одних этих связях Вселенная единой не осталась бы. Помимо сильных связей внутри молекул и веществ есть слабые взаимодействия, которые стягивают воедино целые ансамбли молекул — подобно общественным связям, удерживающим вместе человеческие сообщества. Сильнейшие из таких взаимодействий можно наблюдать в воде.
Почему вода — особенная
Вам, вероятно, это и в голову не приходило, однако то, что вода у вас в чайнике закипает при 100°С, — штука довольно странная. Температура кипения воды куда выше, чем можно было бы ожидать от вещества, состоящего из водорода и кислорода. Поглядев в Периодическую таблицу, можно было бы предположить, что кислороду естественно вести себя так же, как другим элементам из его столбца. Однако, сотвори вы водородсодержащие вещества с участием атомов элементов, расположенных под кислородом, попросту вскипятить их в чайнике вам не удастся. А все потому, что все три эти вещества кипят при температуре ниже нуля по Цельсию, а это значит, что при температуре, нормальной для вашей кухни, эти вещества — газы. А вода при температуре ниже нуля — все еще твердое вещество, лед. Так почему же соединение, состоящее из кислорода и водорода, остается жидким при столь высоких температурах?
Все дело в силах, удерживающих молекулы воды вместе как единую группу, — они не дают им разлететься во все стороны при малейшем нагреве. Эти так называемые водородные связи образуются между атомами водорода одной молекулы и атомами кислорода другой. Как именно? И здесь тоже все сводится к электронам. В молекуле воды два водородных атома оказываются «в одной постели» с кислородом, который тащит все одеяло — отрицательный заряд, то есть электроны, — на себя. И частично положительно заряженные оголенные атомы водорода тянутся к кислородам-эгоистам из других молекул воды, потому что на них отрицательный заряд. У каждой молекулы воды есть два водорода, и она может образовывать две водородные связи с другими молекулами воды. Те же силы притяжения помогают объяснить решетчатое устройство льда и натяжение на поверхности пруда, благодаря которому по ней носятся водомерки.
Одинарные, двойные и тройные связи
Если попросту, любая ковалентная связь - общая для двух атомов электронная пара. Электронов, которыми одному атому приходится делиться с другим, обычно столько, сколько их у атома на внешней оболочке. К примеру, поскольку у атома углерода на внешней оболочке четыре электрона, он может образовывать четыре электронные пары с другим атомом - или четыре связи. Способность углерода образовывать четыре связи обусловливает устройство практически всех органических (содержащих углерод) соединений, в которых углеродный скелет оснащен атомами других разновидностей: в длинных органических молекулах-цепочках электроны атомов углерода образуют пары с электронами других таких же атомов, а также часто - с атомами водорода. Однако иногда у двух атомов есть более одной общей электронной пары, то есть получается двойная связь углерод-углерод - или углерод-кислород. Бывают и тройные связи, когда у двух атомов три общие электронные пары, но три электрона на внешней оболочке есть у атомов далеко не всех элементов. У водорода, к примеру, всего один.
Ван-дер-Ваальс
Силы Ван-дер-Ваальса, названные в честь голландского физика, - это сравнительно слабые взаимодействия между атомами. Они существуют потому, что даже в химически устойчивых атомах и молекулах электроны все же не замирают на одном месте, и поэтому распределение заряда меняется. Это означает, что отрицательно заряженная часть одной молекулы может временно притянуть положительно заряженную часть другой. Более стойкое разделение заряда возникает в полярных молекулах - в воде, например, и тогда получаются связи посильнее. Водородные связи - особый случай такого притяжения, в котором образуются межмолекулярные контакты значительной силы.
