Глазами Монжа-Бертолле

Однако если все напарники расстанутся, то углерод должен быть шестивалентным! Ведь у него шесть электронов. Почему же он присоединяет лишь четыре атома водорода? Почему в природе нет соединения CH₆?

Дело тут вот в чем. Непосредственное участие в образовании химических связей принимают не все, а лишь наружные электроны. А на внешней электронной оболочке у углерода именно четыре электрона, у бора три, у бериллия два. Запрятанная внутри пара остается безучастной. Вот почему углерод четырехвалентен.

Но даже в окиси углерода валентность не равна двум, как это принято считать! Однако об этом позднее.

Когда разговор шел о наружных и внутренних электронах, имелись в виду различные оболочки атома. Эти электронные «одежки» чем-то напоминают деревянных матрешек, вставленных одна в другую. У углерода и прочих элементов второго периода менделеевской таблицы их две. В центре самой маленькой — ядро. Номер «матрешки» — считая от маленькой к самой большой — это главное квантовое число. Удвоенный квадрат его 2n² определяет максимальное количество электронов, которым дозволено разместиться на одной оболочке. На первой у всех без исключения атомов не может находиться больше двух электронов (2·1²). На второй — не больше восьми (2·2²). На третьей — восемнадцати (2·3²). И так далее. А между «матрешками» — запретная зона. Там вообще не место электронам. Так распорядилась природа. Так записано и в кодексе квантовой механики.

Зато каждая оболочка многослойна. Электронам дано право выбрать себе местопребывание на любом из слоев. Но при определенном условии (его называют принципом Паули): они должны различаться хотя бы одним квантовым числом. А таких чисел четыре. Первое — наше n. Одинаковое для всех слоев оболочки. Оно характеризует удаленность электрона от ядра, а стало быть, и его энергию. Второе, не менее важное, — направленность спина. Два остальных не так существенны в нашем рассказе. Однако и они играют свою роль в распределении электронов по слоям. Не вдаваясь в подробности, можно сказать, что один слой не способен вместить больше двух электронов. Причем их спины должны быть обязательно антипараллельными. Именно так возникают электронные «парочки» у атомов. И зачастую остаются неразлучными. Даже в тех случаях, когда атом готовится вступить в химическую связь. Даже несмотря на то, что для любого из напарников сыскался бы уголок в одном из слоев. И нередко случается так: у одного атома в запасе вакантное место в одном из слоев, у другого — неподеленная пара электронов.

Обычно при образовании ковалентного союза оба атома выставляют по электрону. Однако допустим и такой вариант: первый атом размещает свою неподеленную пару на чужой «жилплощади» — в свободном слое второго. Примером служит ион аммония NH₄⁺, с которым имел дело каждый, кому доводилось нюхать нашатырный спирт NH₄OH. Здесь атом азота — донор (по-латыни «дарящий»). Он поставляет готовый дублет водородному ядру (протону). А тот спокойно забирает, оправдывая название «акцептора» («берущий»):

Голубоватые язычки пламени в преждевременно закрытой топке над раскаленными угольями — кто их не видел? Так при недостатке кислорода образуется угарный газ. У атома C в невозбужденном состоянии два неспаренных электрона и один незанятый слой. Атом O не располагает свободными помещениями. Зато, помимо двух электронов-«холостяков», у него готовая электронная пара, которую он может передать «соседу в чуждые пределы».

Электронный дублет кислорода становится «слугой двух господ».

Вот почему в молекуле CO скорее тройная связь, нежели двойная:

(знаки «плюс» и «минус» отмечают некоторое неравноправие в распределении зарядов между атомами; по-видимому, электроны предпочитают находиться поближе к углероду).

А молекула кислорода? Структурная формула описывает ее так, словно она содержит двойную связь: O = O. Будь это действительно так, в ней все электроны должны быть соединены попарно. Если же спины внутри каждой пары взаимно уравновешены, вещество диамагнитно.

А вот молекулы кислорода отзываются на магнитное поле иначе, чем диамагнетики. Выходит, не все магнитные силы в них скомпенсированы? Да, молекулы O₂ явно парамагнитны. И неспроста: в молекуле кислорода два электрона не спарены. Так что формула O = O тоже неверна! И атомы кислорода соединены тройной связью: O = O. Три штриха — это три дублета: один образован электронами разных атомов О, два остальных предоставлены атомами друг другу в готовом виде.

Мораль: не всегда школьные учебники говорят всю правду.

Сказанное лишний раз иллюстрирует простую мысль: негоже химику игнорировать квантово-механические представления. Иначе он намеренно обрекает себя на слепоту. Ибо значок «буква — штрих — буква», несмотря на удобство в применении, остается всего лишь символом. И зачастую даже неточным.