Николай Друзьяк - Как продлить быстротечную жизнь

Теперь посмотрим с этой же позиции (с позиции устойчивости атома) на атомы водорода и кислорода. Водород находится в первом периоде периодической таблицы и имеет всего один электрон. А второй элемент этого периода – гелий – имеет два электрона (то есть первая оболочка у него полностью заполнена), и в результате – это химически инертный газ. А водород – химически активный газ. Он не может стать похожим на гелий путем присоединения второго электрона (отрицательного иона водорода никто еще не обнаруживал), так как у него мал заряд. Но для этого (чтобы стать подобным гелию) у него имеется другой путь (об этом чуть ниже).

Второй период таблицы Менделеева заканчивается инертным газом неоном, у которого полностью заполнены электронами первая и вторая оболочки (2 и 8). В этом же периоде находится и кислород, которому недостает двух электронов для полного заполнения второй оболочки, чтобы стать устойчивым, подобно неону. Поэтому кислород и является сильным окислителем – он всегда стремится присоединить на свою вторую оболочку еще два электрона (окислителем называется то вещество, которое в ходе реакции принимает электроны). И если в какой-то момент к атому кислорода приблизится атом водорода (при высокой температуре), может произойти обобщение электронов атомов кислорода и водорода, то есть электрон, принадлежащий водороду, может начать двигаться по орбите и вокруг ядра атома водорода, и вокруг ядра атома кислорода. Одновременно и точно так же один электрон, принадлежащий кислороду, тоже начнет вращаться вокруг ядер и кислорода, и водорода, обеспечивая связь между этими ядрами. Такая связь, образованная парой электронов, находящихся в общем «пользовании» у двух атомов, называется ковалентной связью (приставка «ко» в слове «ковалентная» обозначает совместное участие и соответствует приставке «со» в русских словах, как, например, в словах «сотрудник», «соавтор», в итоге слово «ковалентная» означает «объединенная»). Ковалентная связь настолько широко распространена среди химических веществ, что иногда ее просто называют химической связью. Здесь же следует отметить, что в данном случае для нас наиболее важным положением квантово-механической теории является то, что движение электронов происходит по «разрешенным» орбитам. А понятие орбита означает пространственное описание движения электрона, соответствующее определенному устойчивому состоянию.

Продолжим рассматривать процесс образования молекулы воды. После присоединения одного атома водорода к кислороду у последнего до полного заполнения второй оболочки недостает всего одного электрона, чтобы получилась устойчивая структура по образцу инертного газа неона. Поэтому кислород присоединяет с помощью ковалентной связи еще один атом водорода, и в результате образуется молекула воды. Очень устойчивая молекула (и не так-то легко ее разрушить, поэтому долгое время – вплоть до XVIII века – вода считалась простым веществом), так как и у кислорода полностью заполнены электронами обе оболочки, и у атомов водорода первая (и единственная) оболочка тоже полностью заполнена двумя электронами. И каждый из атомов водорода в молекуле воды становится подобным атому гелия.

Так мы восстановили в своей памяти сведения об ионной и ковалентной связях, а теперь нам предстоит выяснить физическую сущность еще одной связи – водородной.

Вокруг ядра атома кислорода в молекуле воды на второй оболочке вращаются восемь электронов. Но, согласно той же квантовой механике, все эти электроны не создают какую-то общую сферу, а вращаются только попарно по четырем обособленным орбитам или орбиталям. По двум орбитам вращаются две пары электронов, которые взаимодействуют только с ядром кислорода (так называемые неподеленные пары электронов). А по двум другим орбитам также движутся по два электрона, «обслуживающие» уже и атом водорода, и атом кислорода, и находящиеся, таким образом, уже в «совместном пользовании», которые и создают ковалентную связь между двумя атомами водорода и атомом кислорода. Электронные пары, образующие ковалентную связь, смещены к ядру кислорода и немного удалены от ядер водорода. Это ведет к тому, что оба атома водорода приобретают некоторый положительный заряд. Эти же электронные пары оказывают влияние и на орбиты неподеленных пар электронов, принуждая их несимметрично удлиняться, что создает повышенную плотность электронного облака на удаленном от ядра кислорода участке орбиты, а это равноценно некоему отрицательному заряду в этом месте (см. рис. 4).