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.
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.