Казалось бы, куда проще: вот два нейтральных атома, скажем натрия и хлора, решили объединиться в коллектив. Вокруг ядра у натрия вращается 11 электронов. Из них на внешней орбите — один. Но атом натрия не отличается скупостью. Напротив, ему легко распроститься со своим единственным валентным электроном, чтобы превратиться в однозарядный положительный ион Na+. Атом хлора готов воспользоваться любезностью партнера и дополнить коллекцию своих валентных электронов до восьми. Приютив изгнанника, он станет отрицательным ионом Cl–. Между разноименными ионами возникнет сила притяжения. Молекула готова: Na+Cl–. Теряя электрон, атом натрия приобретает напарника.
Зато уж если бы примеру натрия захотел последовать кальций, ему для компании понадобились бы целых два атома хлора. И вовсе не потому, что он общительней (химик скажет: активнее), чем натрий. Напротив, кальций с большим трудом расстается с валентными электронами и, стало быть, с меньшей легкостью вступает в химические союзы. Но уж коли расстается, то именно с электронами, а не электроном: их у него пара. И оба он готов отдать своему напарнику. А тому такая щедрость вовсе ни к чему.
Атом хлора способен приютить на своей внешней орбите лишь одного-единственного «чужеземца». Ибо только в этом случае он обретет устойчивую электронную конфигурацию инертного газа с октетом (восьмеркой) электронов на внешней орбите. Вот почему другой электрон кальция вынужден искать себе пристанища у второго атома хлора. Впрочем, лишившись обоих валентных электронов, атом кальция тоже обзаведется устойчивым октетом на своей внешней орбите. И натрия тоже. И вообще любого элемента, способного связывать свою судьбу с другим элементом электровалентными узами.
Этот гипотетический набросок был предложен немецким ученым Косселем. Правда, при всей своей простоте и стройности теория электровалентной связи была бессильна объяснить, как возникают электронные постройки при сближении одинаковых или близких по свойствам атомов. Молекулы Cl2, H2, N2, а также почти всех органических соединений оставались за бортом новой теории. Бутлеровская черточка еще не заговорила математически строгим языком новой физики.
Смысл валентного штриха прояснила гипотеза ковалентной связи Льюиса: это пара взаимодействующих электронов. По одному от каждого из атомов-партнеров, объединившихся в молекулу. В структурные формулы вместо штриха Льюис стал вводить две точки — знак дублета (двух обобществленных электронов). Простейший пример ковалентной связи — молекула водорода H : H. И более сложный:
Льюисовское двоеточие означало, разумеется, не просто сумму двух электронов. Оно подразумевало, что каждый электрон, вращающийся около ядра, подобно спутнику вокруг Земли, вступив в союз со своим напарником, вынужден изменить прежнюю траекторию. Ибо его теперь притягивает еще и вторая планета — ядро атома-соседа.
Эти элементарные сведения нам пригодятся потом, как трамплин для прыжка в неизведанное.
У углерода шесть спутников-электронов. И две орбиты. На нижней — два спутника, на верхней — четыре. Но только наружные электроны участвуют в образовании химической связи. Ковалентный, как и электровалентный, союз устойчив, если сумма внешних электронов (своих и чужих) составляет октет. Вот почему углерод четырехвалентен: его верхней орбите до полного комплекта не хватает ровно четырех электронов. Их можно позаимствовать у водорода. Или углерода. Четыре валентных штриха, разбегающихся от каждой вершины в бензольном шестиугольнике, — это и есть четыре дублета, дающих вкупе необходимый октет.
Так физика ответила на самый глубокий вопрос, который перед ней когда-либо ставила химия. И тем не менее число и мера не торопились проникать в мир невидимых архитектур. Первая же попытка рассчитать молекулярную систему с ковалентной связью потерпела фиаско. А ведь речь шла о простейшей системе — молекуле водорода!
Представьте себе обыкновенный глобус. На полюсах размещены водородные ядра. На экваторе — пара электронов-антиподов, которые догоняют друг друга в бесконечном круговороте. Эта модель, построенная Бором, учитывала новейшие для того времени представления об атоме. Но ее количественный расчет не совпадал с опытными данными. Модель оказалась неверной.
Какой конфуз! Неужто льюисовская теория неверна? Неужто подвели новые, с иголочки, идеи, взятые напрокат у физики? Лишь значительно позже выяснилось, почему электроны упрямо саботировали законы ньютоновской механики.