Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин

Современное изображение расположения электронов вокруг ядра выглядит иначе. Давайте посмотрим, «в каких условиях живут» электроны. В нашем путешествии будет полезен некий путеводитель, и у химика он почти всегда под рукой. Это все та же присутствующая во всех учебниках, висящая на видном месте во всех химических кабинетах и аудиториях, украшающая стены любой лаборатории таблица Менделеева. Разместите таблицу поблизости, и дальнейший рассказ будет существенно интереснее. Обычно целые группы клеток с элементами в таблице раскрашены в разные цвета, что помогает нам ориентироваться. Таблица удобна тем, что порядковый номер элемента точно указывает заряд ядра, то есть число положительно заряженных протонов. Поскольку атом электронейтрален, это число соответствует числу отрицательно заряженных электронов, расположенных вокруг ядра.

Необычные квартиры

Основной язык химиков – химические формулы, которые могут указывать только состав – например, H₂CO₃, – это брутто-формулы. Кроме того, существуют структурные формулы, которые показывают не только состав, но и порядок соединения атомов, – например, пероксид водорода H-O-O-H. Чтобы изобразить молекулу в трехмерном пространстве, часто используют шаростержневые модели. На рис. 4.2 показаны молекулы метана и серной кислоты.

Существует еще один способ изображения молекул, которые можно увидеть, например, на обложках некоторых учебников химии. Это своеобразные конструкции, представляющие собой полупрозрачные каплеобразные формирования, частично пересекающиеся с шарами (рис. 4.3).

Именно об этих изображениях пойдет речь далее. Вначале напомним, что ту область пространства, которую занимает электрон, находящийся в атоме или в молекуле, называют орбиталью. Ее изображают в виде полупрозрачного облака с размытыми краями. Такие конструкции по-своему привлекательны и вполне могут украсить обложку печатного издания. Расположенные внутри тетраэдров удлиненные надувные капли, соприкасающиеся с небольшими полупрозрачными сферами, даже отдаленно не похожи на встречающиеся в быту устройства и превосходят фантазии художников, создающих различные картины или фильмы на космические темы. Иногда природа опережает нашу фантазию и предлагает свои решения в дизайне.

Все эти воздушные объемные образования и есть орбитали. На обложках учебников (рис. 4.3) изображены молекулы воды и метана, мы же далее сосредоточим свое внимание на более простых объектах – атомных орбиталях. Иными словами, мы посмотрим, где располагаются электроны в изолированных атомах, не связанных химическими связями. Показанные выше картинки пока отложим в сторону и заодно отметим, что истинная картина в молекулах воды и метана внешне заметно отличается от того, что изображено на обложках. О том, почему такое произошло, поговорим позже.

Напомним, что электрон движется в атоме вокруг ядра не по фиксированной линии – орбите, а занимает некоторую область пространства. Ранее использовали термин "орбита", но постепенно пришли к мысли, что орбита (лат. orbita – «колея») – это линия в пространстве, по которой, например, движется наша планета вокруг Солнца. Область обитания электрона – не линия, а некая объемная часть пространства, и потому стали применять несколько измененный термин «орбиталь». Своеобразие состоит в том, что эта часть пространства не имеет четких границ – она размыта. Электрон, например, в атоме водорода (рис. 4.4а) может с определенной вероятностью оказаться либо весьма близко к ядру, либо на значительном удалении, однако существует область, где его появление наиболее вероятно. Точки, обозначающие случайное местонахождение электрона, в некоторой области располагаются гуще. Орбиталь стали наглядно изображать в виде поверхности, очерчивающей ту область, где вероятность появления электрона наибольшая, иначе говоря, электронная плотность максимальна (рис. 4.4б). Ее следует воспринимать не как тонкую пленку, а как некое объемное тело, внутри которого находится электрон с вероятностью 95–98 %.

У атома водорода орбиталь электрона имеет шаровую форму – следовательно, электронная плотность в направлении каждой оси трехмерных координат одинакова. Ее называют s-орбиталью (рис. 4.5).

К настоящему моменту описано пять типов орбиталей: s, p, d, f и g. Названия первых двух сложились исторически. Затем был выбран алфавитный принцип, а буква е пропущена, поскольку ее используют для обозначения самого электрона. Таким образом, никакого скрытого смысла эти буквы не несут. Орбитали существуют независимо от того, находятся ли на них электроны (занятые орбитали) или отсутствуют (вакантные орбитали). Это «резервные квартиры», которые постепенно заполняются электронами по мере увеличения порядкового номера элемента – то есть заряда ядра с непременным сохранением электронейтральности атома.

При заполнении электронных оболочек в атомах действует ряд правил, сформулированных квантовой физикой. Сами эти правила в окончательной формулировке достаточно просты – ниже мы рассмотрим их подробнее.