Страница 27 из 52
Соединяясь в молекулу, атомы водорода обмениваются электронами. Конечно, это не совсем точно: электроны не марки и не мнения, чтобы можно было ими обменяться. Но от термина «обменное взаимодействие» нам не уйти, вот почему приходится предостерегать от житейского его толкования. Тем более что волновой характер движения делает электроны неразличимыми. Перемешавшиеся электронные облачка образуют нечто вроде целостной «волны», стягивающей соседние ядра в единую молекулу. Такое облако-волна хоть и расплывчато, однако все же и не бесформенно.
Обрисовать его контуры помогли опять же квантово-химические вычисления. Обнаружилось, что оно отдаленно напоминает скорлупу арахиса, узниками которой взамен двух орешков мы представляем себе атомные ядра.
Употреблять словосочетание «электронное облако» без оговорок рискованно, хотя оно прочно укоренилось в научном «жаргоне». Термин стал общеупотребительным только из-за краткости. В действительности же приходится иметь дело с облаком вероятности. Столь же эфемерным, столь же призрачным, как и размытый полупрозрачный диск включенного вентилятора. Или мелькающих спиц велосипедного колеса.
Присмотритесь к такому «облаку». Вы заметите участки большей и меньшей «плотности», «сгущения» и «разрежения». Между тем если стрелять в такой диск из пистолета, то часть пуль наверняка проскочит беспрепятственно. Угодить в спицу или лопасть не просто: все будет зависеть от слепого случая. Конечно, там, где облако гуще (оттого, что лопасти шире, а спицы соседствуют друг с другом), вероятность поразить цель выше. Но все равно вероятность остается вероятностью: то ли попадешь, то ли нет.
Нечто подобное встречается и в микромире. Чем темнее участок размытого электронного облака, изображенного художником на странице 172, тем больше тут плотность вероятности. Тем скорее мы обнаружим здесь разыскиваемый электрон. Что же касается самой плотности вероятности, то она вовсе не плод воображения художника. Ее точно вычисляют с помощью шредингеровской пси-функции.
Так квантовая механика похоронила шарик. От него остался лишь призрак.
Квантовая механика нарисовала электронные облака самых причудливых, самых фантастических форм, какие только могли пригрезиться художнику, нет, вернее, скульптору, ибо эти облака трехмерны, объемны. Правда, электронный ореол вокруг молекулы водорода имеет довольно простые очертания — он чем-то напоминает размытый «арахисовый орех», по крайней мере в области наибольшего сгущения. Но если у обычного ореха мы без труда можем обозначить границу, отделяющую скорлупу от окружающего воздуха, то «размывам» электронного облака такая геометрическая четкость отнюдь несвойственна.
Всмотритесь в рисунок «арахисового ореха». Вы заметите, что в зоне между ядрами краска положена гуще. Квантово-механический расчет обнаружил, что здесь электронная плотность повышена. Возможность такого сгущения появляется сразу, как только нейтральные атомы водорода подходят друг к другу достаточно близко. Это и есть главный итог обменного взаимодействия. Концентрируясь в межъядерном пространстве, электронное облако как бы гасит силы взаимного отталкивания между протонами, заставляя ядра сближаться до тех пор, пока не наступит равновесие сил. Зато, если электронные спины сблизившихся атомов параллельны, плотность облака между ядрами понижена, а посередине и вовсе равна нулю. В этом случае кулоновское отталкивание ядер преобладает над силами обменного взаимодействия и электростатического притяжения. Химическая связь образоваться не может.
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.