Глазами Монжа-Бертолле

Итак, антипараллельность спинов, как говорили древние римляне, — «кондицио сине ква нон» (условие, без которого нет) ковалентной связи. Бутлеровский валентный штрих — это и есть пара электронов с противоположно ориентированными спинами. Спаренные веретенца-магнитики безучастны к другим электронам. Химик скажет: валентная связь насыщена. Именно из-за насыщаемости химических сил молекулы имеют вполне определенный состав: например, H₂, но не H₃, H₄ или H₁₀₀; NH₃, но не NH₅ или NH₈.

Электронное облако, окутывающее молекулу водорода, замечательно изумительной симметрией. Так всегда получается, если внутри «арахисового ореха» заключены одинаковые ядра: скажем, хлора в молекуле хлора Cl₂ или брома в Br₂. Сливаясь в это двуединое облако, электроны становятся неразличимыми. Возможности встретить их в поле любого ядра равновероятны. При таком валентном союзе, основанном на паритетных началах, молекула неполярна — у нее отсутствует дипольный момент. Иное дело, когда атомы разные. К примеру, в молекуле хлористого водорода HCl. Здесь уже вероятность встретить связующие электроны в поле водородного ядра меньше, чем в поле ядра атома Cl. Поэтому средняя электронная «плотность» поблизости от атома Cl выше. Облако, подобно флюсу, оттопыривается с одного бока. И тут как тут объявляется постоянный дипольный момент.

Асимметрия электронного облака описывается квантовой химией в терминах «эффективных зарядов». Имеются в виду суммарные заряды атомов в молекуле окрест их ядер.

Правда, если говорить строго, электронное облако — не политическая карта. Его невозможно четко расчленить пограничными столбами. Тем не менее понятие «эффективный заряд» зачастую удобно, хотя и условно. По крайней мере сразу бросается в глаза различие в полярности молекул. Нулевая полярность свойственна только молекулам H₂, Cl₂ и им подобным. У других она больше или меньше. Сравните, к примеру, хлористый водород и поваренную соль: H^+0,17Cl^–0,17 и Na^+0,8Cl^–0,8. Цифры наверху рядом с символами элементов — доли единичного электронного заряда. Нетрудно увидеть, что у молекулы нашей соли электронный «флюс» вздулся куда сильнее. В подобных предельных случаях полярная связь называется ионной.

Вывод: чисто ионной и чисто ковалентной связей нет. Есть гибриды.

Да, именно ионной — той самой, которую интуитивно предвосхитил еще Берцелиус. Той, для которой Коссель создал свою модель, описанную несколькими страницами раньше. Между ней и моделью Льюиса лежала прямо-таки пропасть. А на квантово-механическую поверку выходит, что обе они ничуть не противоречат друг другу! Перед нами просто два крайних случая одного явления — электронного содружества атомов. Такого содружества, где нет и в помине шариков-электронов, перекочевавших целиком и полностью от одного атома к другому. Деление на «своих» и «чужих» в соответствии с косселевской «бухгалтерией» бессмысленно. Ибо атомные ядра даже при ярко выраженной ионной связи объемлет единое и неделимое облако-волна.

Правда, полное разделение зарядов не исключено. Оно происходит, если ионы очутятся в свободном состоянии, например в растворе. Вздумай, однако, катион Na⁺¹ и анион Cl^–1 вступить в валентную связь, как эффективные заряды из целой единицы тотчас станут дробными: Na^+0,8, Cl^–0,8. Причина — волновые свойства электрона. Сколь бы малой ни была вероятность обнаружить электрон вблизи атома Na, она все же отлична от нуля.

Еще большие возмущения электронных орбит характерны для многозарядных ионов. Помните, как строго было расписано местопребывание электронов в косселевском «гроссбухе» для молекулы CaCl₂? Увы, на деле все обстоит гораздо сложнее. Ca⁺² в ионной молекуле обретается отнюдь не в виде «чистого» двухзарядного катиона с электронной конфигурацией инертного газа. Особенно, если его соседом по молекуле окажется тоже многозарядный анион, положим О^–2. Электронная архитектура молекулы CaO выглядит вовсе не так, как рисовала ее бесхитростная геометрия Косселя. И если вам попадутся формулы:

Ca⁺²S^–2, Ca⁺²O^–2, Tl⁺⁴C^–4, (Al⁺³)₂(O^–3)₃, (N⁺²)₂(О^–2)₅, B⁺³(F^–1)₃ и тому подобные — знайте: перед вами галерея призраков. Это наследники классических электростатических представлений, окончательно скомпрометировавших себя в глазах ученых. Понятно, почему количественные операции косселевской бухгалтерии с подобными фикциями напоминали куплю-продажу гоголевских мертвых душ.