ее термобелье.
А орбитали? Их наука намного сложнее и, как мне кажется, красивее.
Четвертого июля[3] мы видим, как электроны перемещаются между орбитами при запуске фейерверков. Если фейерверк красный, значит, электроны перемещаются на соседние орбитали, а если зеленый, значит, перемещаются на большие расстояния.
Мы также может наблюдать «работу» орбиталей на Хэллоуин каждый раз, когда видим фосфоресценцию – химическое явление, когда вещи светятся в темноте. Мы можем этого не осознавать, но мы постоянно наблюдаем за тем, как электроны движутся по своим орбиталям или переходят на другие. А еще нам очень повезло, что ученые смогли разработать безопасные для человека способы игры с электронами и орбиталями – например, у нас есть бенгальские огни и светящиеся палочки.
Есть четыре типа атомных орбиталей или карманов у атома, где могут располагаться электроны. Это s-орбитали, p-орбитали, d-орбитали и f-орбитали. Такая классификация была предложена ученым Эрвином Шредингером. В своей статье он установил, как связаны между собой атомы. По правде говоря, за последние сто лет практически ничего не поменялось. Химики вроде меня до сих пор считают, что существуют четыре главных типа атомных орбиталей.
Не забывайте: вне зависимости от формы и размера орбитали на ней могут располагаться только два электрона. Эти электроны должны быть на максимальном расстоянии друг от друга (из-за постоянного отталкивания друг от друга).
Свободнее всего электроны чувствуют себя на s-орбитали, так как она по форме похожа на большой круглый шар. Огромная сфера, в середине которой расположено ядро атома. Это может показаться весьма нелогичным, но буква s в названии от слова sharp (резкий), потому что в лаборатории s-орбитали образуют резкие различия.
Чтобы стало понятнее, давайте рассмотрим простой пример. Возьмем орбиталь с наименьшим энергетическим уровнем; такая орбиталь называется 1s. Каждый отдельный атом в периодической системе содержит 1s-орбиталь. Именно она располагается ближе всего к ядру, и на ней могут располагаться только два электрона. Так как у водорода и гелия имеется только один и два электрона соответственно, их остальные атомные орбитали остаются пустыми. Именно поэтому водород и гелий – это отличные примеры того, почему орбитали важны.
Давайте сначала рассмотрим гелий. На его 1s-орбитали располагается два электрона. Как вы помните, гелий очень стабильный элемент. Он настолько стабилен, что обычно мы используем его для заполнения воздушных шаров. У нас нет никаких опасений насчет этого газа, ведь он инертный. А это значит, что даже если внезапное дуновение ветра подхватит шарик и унесет его к свечам на торте, то ничего не случится. Воздушный шар просто лопнет, а гелий перейдет в атмосферу.
А теперь давайте рассмотрим водород, у которого на 1s-орбитали всего один электрон. В отличие от гелия, водород не является стабильным элементом. Все дело в «свободном» пространстве на орбитали. Водород постоянно находится в поиске еще одного электрона, который сможет занять свободное место; он также может кому-то отдать свой единственный электрон. Водород настолько реакционноспособный элемент, что в природе практически невозможно встретить его в одноатомном виде. Обычно такой водород объединяется с другим и образовывает двухатомный водород (H2). Если бы вы по ошибке наполнили воздушный шар водородом, а не гелием, то при его соприкосновении с открытым огнем произошел бы огромный взрыв. Упс. Взрывная вечеринка! А все из-за свободного места на атомной орбитали – или свободном месте в кармане атома.
Подобные реакции могут происходить и в том случае, если электроны совершают какие-то движения на следующем уровне: p-орбитали. Здесь p означает principal (главный). Эта орбиталь в форме восьмерки, имеющей две половины: два участка, где располагаются электроны. По правде говоря, существует три одинаковых варианта p-орбитали на любом уровне атома; они соединяются между собой, образуя вокруг ядра шестиконечную звезду.
Каждая p-орбиталь имеет свое место в пространстве. Например, на px-орбитали электроны двигаются слева направо вдоль атома; на py-орбитали – вперед и назад; на pz-орбитали – вверх и вниз.
И, по правде говоря, есть нечто загадочное в том, как движутся электроны. Они никогда не касаются ядра, однако могут перемещаться с одной стороны атома на другую. И хотя электроны движутся в разные стороны, они никогда не проходят через ядро. Но как им удается перемещатся с одной стороны атома на другую, при этом не пересекая само ядро? По правде говоря, у нас все еще нет ответа на этот вопрос. В химии до сих пор существует множество непонятных вещей, и это одна из них. Я лишь надеюсь, что смогу застать тот момент, когда ученые приоткроют завесу этой тайны.
Когда происходит перекрывание трех p-орбиталей, образуется фигура, напоминающая звезду. Теперь шесть электронов (3 орбитали · 2 электрона на каждой = 6) двигаются вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами двух видов. Если вы посмотрите на изображение p-орбитали в форме шестиконечной звезды, то заметите промежутки, где электроны не могут существовать. В отличие от s-орбитали, на p-орбитали у электронов гораздо меньше свободного места. Просто идеальная среда для них.
Следующий уровень – это d-орбиталь. По правде говоря, моя любимая. Обычно именно d-орбиталь лежит в основе большей части неорганической химии. Каждая d-орбиталь имеет четыре части или доли, где могут находиться электроны. Внешне d-орбитали похожи на небольшие цветки; ядро располагается в центре, а электроны в лепестках.
Есть пять разных d-орбиталей, и четыре из них имеют одинаковый вид. Единственное различие заключается в их расположении в пространстве. Чтобы лучше понять все это, давайте рассмотрим четырехлопастную d-орбиталь.
Если вы положите книгу на стол, то d-орбиталь будет располагаться на горизонтальной поверхности (расположение 1). А теперь встаньте и приложите книгу к стене напротив вас (расположение 2) и к стене слева от вас (расположение 3). Может быть, вы даже приложили книгу к ширме, разделяющей комнату по диагонали (расположение 4). Таким образом у нас будет четыре различных расположения: (1) плоское, (2) вертикальное, (3) вертикальное, развернутое на 90°, и (4) вертикальное, развернутое на 45°. Каждое другое положение книги в пространстве представляет собой еще одно расположение d-орбитали в атоме.
Пятый вид d-орбиталей имеет странную форму, которую мой преподаватель, профессор, называл «сосиской в бублике». Звучит сомнительно, но я должна отдать должное: это идеальное описание уникальной формы d-орбитали. Лично мне кажется, что эта орбиталь выглядит как pz-орбиталь с обручем вокруг «талии».
Когда все пять d-орбиталей перекрываются, они образуют цветок странной формы, прямо как p-орбитали образуют шестиконечную звезду. Однако этот цветок представляет собой сложную систему, по которой перемещаются электроны. Благодаря причудливой форме d-орбиталей десять электронов (5 орбиталей · 2 электрона на каждой = 10) могут двигаться вокруг атома с максимальным притяжением между протонами и электронами и минимальным отталкиванием между электронами.
Последний вид орбиталей – это f-орбиталь. Как вы уже догадались, они самые сложные. Я рассказываю об f-орбиталях только потому, что они круто выглядят.
Всего есть семь разных f-орбиталей; некоторые из них имеют шесть лепестков, некоторые – восемь. На рисунке выше вы можете увидеть изображение самой странной орбитали из всех f-орбиталей. Мы шутливо называем ее «сосиска в двойном бублике», потому что она выглядит точно так же, как и pz-орбиталь с двумя обручами вокруг талии.
При перекрытии семи f-орбиталей молекула может минимизировать отталкивание между четырнадцатью электронами (7 орбиталей · 2 электрона на каждой = 14). При перекрытии орбитали похожи на странный, причудливый цветок. Обычно с f-орбиталями работают в радиоактивной химии; так что все, что вам нужно знать, это то, что f-орбитали имеют действительно странную и сложную форму.
Но не забывайте: вне зависимости от формы каждая атомная орбиталь может иметь максимум два электрона. Электроны двигаются в противоположных друг другу направлениях, сводя к минимуму возможность контакта. А теперь мы можем подробнее поговорить о том, как перекрывают друг друга разные орбитали.
Первый тип перекрывания, который я хочу обсудить, называется осевым. Такая связь образуется, когда две разные орбитали пересекаются в одном месте.
Представьте себе простейшую диаграмму Венна[4] с тремя кругами. Если вы уберете один круг, то у вас останется две s-орбитали. Две окружности пересекаются в одном месте: именно так две s-орбитали формируют связь, называемую сигма-связью.
При образовании сигма-связи электроны атома А могут свободно переместиться к протонам атома В (при условии, что атом В электроотрицательнее атома А).
Однако s-орбитали могут образовывать связи не только с другими s-орбиталями. Они также могут сформировать сигма-связи с p-орбиталями. Новая связь формируется в том случае, если s-орбиталь перекрывается одной из частей p-орбитали. Если вы возьмете диаграмму Венна с двумя кругами и превратите один из них в восьмерку, то сможете визуализировать связь между s-орбиталью и p-орбиталью. Электроны с легкостью могут перемещаться от одного атома к другому через место пересечения орбиталей.