Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

Надеюсь, из этого примера вы поняли, что форма молекулы действительно важна (и для химии, и для ваших артерий). По форме молекулы можно понять, где располагаются электроны, как молекула будет выглядеть в трехмерном пространстве и, что гораздо важнее, как именно электроны образуют связи между атомами.

Но сперва давайте рассмотрим атомы повнимательнее.

Во-первых, у каждого слоя атома есть карманы – карман нижнего белья, карман рубашки, карман пальто. Каждый из этих карманов представляет собой атомную орбиталь. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов. Три, четыре или больше – никогда; в карманах нет свободного места, к тому же ни один из них не сможет справиться с зарядом третьего электрона. Не забывайте, что электроны постоянно отталкиваются друг от друга, поэтому им нужно много свободного пространства.

По правде говоря, даже если на орбитали есть только два электрона, они испытывают ужасный дискомфорт. Чтобы минимизировать отталкивание, они вращаются в противоположных направлениях: один – по часовой стрелке, другой – против.

Давайте поэкспериментируем. Пусть ваша левая рука будет двигаться по часовой стрелке, а правая – против. Я каждый год провожу такие демонстрации для своих студентов и выгляжу очень глупо. Не могу заставить свои руки двигаться в противоположных направлениях… Студенты постоянно смеются надо мной. Но вы знаете, почему электроны двигаются в противоположных направлениях? Это может показаться странным, но именно так они стабилизируют атом. Движение по кругу позволяет электронам разойтись по малой орбитали, благодаря чему они всегда находятся на максимальном расстоянии друг от друга.

Я могу предугадать ваши мысли: сейчас вы, скорее всего, думаете, что получили совершенно бесполезную информацию. Почему вас должны волновать какие-то орбитали и то, сколько электронов там помещается? Как эти орбитали влияют на вашу жизнь?

Честно говоря, я понимаю, почему вы задаетесь подобными вопросами. Но атомы и молекулы в реальной жизни встречаются, мягко говоря, часто. Посмотрите на что-то простое, например, на свою одежду. Молекулы в красителях придали вашей рубашке красный или синий цвет. От расстояния между молекулами зависит то, насколько дышащей будет ткань или как хорошо она будет отводить пот, если вы носите влагоотводящее термобелье.

А орбитали? Их наука намного сложнее и, как мне кажется, красивее.

Четвертого июля[3] мы видим, как электроны перемещаются между орбитами при запуске фейерверков. Если фейерверк красный, значит, электроны перемещаются на соседние орбитали, а если зеленый, значит, перемещаются на большие расстояния.

Мы также может наблюдать «работу» орбиталей на Хэллоуин каждый раз, когда видим фосфоресценцию – химическое явление, когда вещи светятся в темноте. Мы можем этого не осознавать, но мы постоянно наблюдаем за тем, как электроны движутся по своим орбиталям или переходят на другие. А еще нам очень повезло, что ученые смогли разработать безопасные для человека способы игры с электронами и орбиталями – например, у нас есть бенгальские огни и светящиеся палочки.

Есть четыре типа атомных орбиталей или карманов у атома, где могут располагаться электроны. Это s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Такая классификация была предложена ученым Эрвином Шредингером. В своей статье он установил, как связаны между собой атомы. По правде говоря, за последние сто лет практически ничего не поменялось. Химики вроде меня до сих пор считают, что существуют четыре главных типа атомных орбиталей.

Не забывайте: вне зависимости от формы и размера орбитали на ней могут располагаться только два электрона. Эти электроны должны быть на максимальном расстоянии друг от друга (из-за постоянного отталкивания друг от друга).

Свободнее всего электроны чувствуют себя на s-орбитали, так как она по форме похожа на большой круглый шар. Огромная сфера, в середине которой расположено ядро атома. Это может показаться весьма нелогичным, но буква s в названии от слова sharp (резкий), потому что в лаборатории s-орбитали образуют резкие различия.

Чтобы стало понятнее, давайте рассмотрим простой пример. Возьмем орбиталь с наименьшим энергетическим уровнем; такая орбиталь называется 1s. Каждый отдельный атом в периодической системе содержит 1s-орбиталь. Именно она располагается ближе всего к ядру, и на ней могут располагаться только два электрона. Так как у водорода и гелия имеется только один и два электрона соответственно, их остальные атомные орбитали остаются пустыми. Именно поэтому водород и гелий – это отличные примеры того, почему орбитали важны.

Давайте сначала рассмотрим гелий. На его 1s-орбитали располагается два электрона. Как вы помните, гелий очень стабильный элемент. Он настолько стабилен, что обычно мы используем его для заполнения воздушных шаров. У нас нет никаких опасений насчет этого газа, ведь он инертный. А это значит, что даже если внезапное дуновение ветра подхватит шарик и унесет его к свечам на торте, то ничего не случится. Воздушный шар просто лопнет, а гелий перейдет в атмосферу.

А теперь давайте рассмотрим водород, у которого на 1s-орбитали всего один электрон. В отличие от гелия, водород не является стабильным элементом. Все дело в «свободном» пространстве на орбитали. Водород постоянно находится в поиске еще одного электрона, который сможет занять свободное место; он также может кому-то отдать свой единственный электрон. Водород настолько реакционноспособный элемент, что в природе практически невозможно встретить его в одноатомном виде. Обычно такой водород объединяется с другим и образовывает двухатомный водород (H2). Если бы вы по ошибке наполнили воздушный шар водородом, а не гелием, то при его соприкосновении с открытым огнем произошел бы огромный взрыв. Упс. Взрывная вечеринка! А все из-за свободного места на атомной орбитали – или свободном месте в кармане атома.

Подобные реакции могут происходить и в том случае, если электроны совершают какие-то движения на следующем уровне: p-орбитали. Здесь p означает principal (главный). Эта орбиталь в форме восьмерки, имеющей две половины: два участка, где располагаются электроны. По правде говоря, существует три одинаковых варианта p-орбитали на любом уровне атома; они соединяются между собой, образуя вокруг ядра шестиконечную звезду.

Каждая p-орбиталь имеет свое место в пространстве. Например, на px-орбитали электроны двигаются слева направо вдоль атома; на py-орбитали – вперед и назад; на pz-орбитали – вверх и вниз.

И, по правде говоря, есть нечто загадочное в том, как движутся электроны. Они никогда не касаются ядра, однако могут перемещаться с одной стороны атома на другую. И хотя электроны движутся в разные стороны, они никогда не проходят через ядро. Но как им удается перемещатся с одной стороны атома на другую, при этом не пересекая