Как из атомов образуются молекулы

Когда атомы сближаются друг с другом и их электронные оболочки почти соприкасаются, то может произойти такая перестройка электронных конфигураций атомов, что энергия всей системы несколько уменьшится. При этом возникает связанное состояние сблизившихся атомов. Это и есть молекула.

Состояние электрона в атоме можно описать распределением электронной плотности - величины пространственного электрического заряда. "Размазанные" вокруг атома электроны образуют облако, размеры которого увеличиваются с ростом главного квантового числа n пропорционально n². Электронная плотность облака характеризуется вероятностью обнаружить электрон в данной точке пространства. Для s-состояний (орбитальное квантовое число l = 0) одноэлектронного атома распределение электронной плотности имеет сферическую симметрию. Причем в центре, в ядре атома, есть вероятность обнаружить электрон! Для p-состояний (l = 1) и d-состояний (l = 2) распределения электронных плотностей в разных направлениях различны, зависят от абсолютного значения m_l - проекции магнитного квантового числа на ось квантования и всегда равны нулю в центре.

Разнообразие молекул безгранично. Есть молекулы, состоящие из двух атомов, а есть, по атомным масштабам, огромные конгломераты атомов. Ввели даже специальный термин - "макромолекулы". Сколь бы ни были разнообразны молекулы, сколь бы ни были различны их свойства, любая молекула состоит из ядер, ранее принадлежавших атомам, из которых молекула построена, и электронов, создавших новую по сравнению с исходными атомами электронную оболочку.

В большинстве случаев перестройка электронной конфигурации затрагивает электроны, которые имеют в атоме наибольшую энергию и слабее других связаны со своим ядром. Их называют валентными (термин происходит от латинского слова valentia, что означает "сила": валентные электроны - носители силы, объединяющей атомы в молекулы).

Нет возможности описать подробно структуру разных молекул. Рассмотрим только простейшие - молекулу водорода Н₂ и молекулу поваренной соли NaCl.

Молекула водорода. Два протона (ядра атомов водорода) создают вокруг себя притягиваю щее электроны силовое поле. Вокруг ядер движутся два электрона. Оба они имеют наименьшую из возможных энергий, а их спины расположены антипараллельно. Поэтому принцип Паули не нарушен.

Подчеркнем: третьему электрону нет места в том состоянии, в котором находятся два электрона. Возникновение полностью заполненной электронной конфигурации в результате объединения валентных электронов нескольких атомов - часто встречающийся способ образования молекул.

В молекуле водорода Н₂ ядра обоих атомов - протоны объединяются. Оба электрона, связывающие их, находятся на одном энергетическом уровне или, как мы говорим, движутся по одной орбите. А поскольку принцип Паули запрещает им быть в одинаковых состояниях, векторы их спинов (собственных моментов количества движения) направлены антипараллельно.

Электроны, близко расположенные к ядру в атоме, в процессе объединения атомов в молекулу играют меньшую роль. Правда, они экранируют заряд ядра, поэтому в многоэлектронном атоме силовое поле, притягивающее валентные электроны, создают уже не ядра, а ионы. Заряд иона тем больше, чем больше в атоме валентных электронов.

Можно было бы подумать, что молекула водорода тождественна атому, ядро которого состоит из двух нуклонов, - дейтерию. Это не так: атомное расстояние между протонами в молекуле водорода порядка одной десятой нанометра, а между нуклонами в ядре дейтерия - в 100 тысяч раз меньше. Из-за этого энергия связи атомов в молекуле в миллионы раз меньше, чем нуклонов в ядре. Силы, действующие между атомами в молекуле, имеют электростатическую природу.

Кристаллическая решетка поваренной соли NaCl представляет собой две кубические решетки с атомами хлора и натрия в узлах, "вставленные" одна в другую. Расстояние между соседними атомами d называется периодом решетки. Решетку можно наращивать до бесконечности, "сдвигая" ее ячейки в любую сторону на величину, кратную периоду, от произвольно выбранного центра О.

Таблица Менделеева. В левой колонке даны схемы заполнения электронных оболочек атомов по периодам. Они же приводятся в клетках рядом с символом элемента. Например, криптон Kr имеет два электрона в s-состоянии и шесть - в p-состоянии: s²p⁶.

Молекула NaCl. У атома натрия один валентный электрон, а хлору не хватает одного электрона до заполненной конфигурации.

При сближении атомов Na и Cl валентный электрон атома натрия займет свободное место в атоме хлора. Возникнут два иона: Na⁺ и Cl^-. Как два разноименно заряженных шарика, они притягиваются и, прижавшись друг к другу, образуют молекулу NaCl.

Казалось бы, почти все понятно. Но странно - что мешает электронам двух ионов соединиться в одну электронную систему, двигающуюся вокруг двух ядер? Почему ионы ведут себя, как твердые шарики? Конечно, некоторую роль играет то, что электроны, обладая отрицательным зарядом, отталкиваются друг от друга. Но главное не в этом. Раньше было рассказано о безумной идее Луи де-Бройля. Она нашла подтверждение в квантовой механике: каждой движущейся частице можно поставить в соответствие волну, длина l которой тем меньше, чем больше импульс частицы р = mv. Выразив импульс р через энергию Е, получим: l = 2p/(2mЕ)^1/2. Чем энергия больше, тем длина волны меньше, и наоборот. Если все электроны будущей молекулы соберутся вместе в небольшой области пространства, на каждую частицу придется очень мало места. Длина волны каждого электрона уменьшится, а энергия каждого электрона, и тем самым всех их вместе, сильно возрастет. В результате энергия электронов в молекуле окажется значительно больше их энергии в атомах. Образование молекулы было бы энергетически невыгодно. Итак, волновые (квантовые) свойства электронов мешают слиянию ионов, и каждый ион ведет себя подобно твердому шарику.

В 1848 году французский исследователь О. Браве выдвинул гипотезу, что кристаллы построены из расположенных в пространстве по определенным законам точек - узлов, в которых находятся атомы. Кристаллические решетки получаются при параллельном переносе (трансляции) атомов. Прямые линии и плоскости, проведенные через узлы решетки, разбивают ее на одинаковые ячейки. Всего имеется 14 видов решеток Браве. Они разделяются на 7 систем (сингоний) по формам ячеек и на 4 типа по расположению атомов в них. С их помощью удается в первом приближении описать структуру любого кристалла.

Некоторые кристаллы имеют довольно простую форму, но их комбинации могут создавать очень сложные многогранники.

Описанный способ образования молекул встречается весьма часто. Не будем приводить другие примеры. Они есть в школьных учебниках по химии.

Для характеристики атомов и ионов часто вводят понятие атомного или ионного радиуса, понимая некоторую его условность: шарик такого радиуса не заполнен плотно электронами, но все электроны атома или иона действительно движутся внутри его.

Молекулу удобно представлять как сравнительно жесткую конструкцию, построенную из шариков - атомов и/или ионов. При этом положения центров шариков, совпадающих с ядрами атомов, можно считать строго определенными. Из-за относительно большой массы атомов (ионов) квантовая неопределенность их положений часто несущественна и каждая молекула имеет вполне четкую форму.