И да, я в курсе существования модели атома, в которой электрон представляет собой волну вероятности, расположенную вблизи ядра. Но школьнику, как правило, трудно представить себе то, как вероятность может соединять атомы в молекулы. Поэтому излагаю «на пальцах».
Соединение атомов в молекулы
Наш мир не существует в виде отдельных атомов, они каким-то образом соединяются друг с другом. Каким именно?
Возьмем два атома водорода. Каждый из них содержит по одному протону и по одному электрону, поэтому суммарный заряд каждого из этих атомов равен нулю.
Закон Кулона
F = k*q1*q2/r^2
говорит нам, что нейтральные тела не должны притягиваться друг к другу
(q1 = 0, q2 = 0).
А значит, водород (и любой другой химический элемент) должен существовать только в виде атомов, и никогда не соединяться в молекулы. На самом же деле атомы водорода всегда соединяются попарно. Почему?
Давайте возьмем два отрезка металла, и расположим их параллельно на небольшом расстоянии друг от друга.
Оба отрезка содержат одинаковое количество протонов и электронов, следовательно, суммарный заряд каждого из них равен нулю. А значит, они не имеют причин для взаимного притяжения.
Мы знаем, что в металлах часть внешних электронов покидает свои атомы и свободно гуляет между ионами (покинутыми атомами) кристаллической решетки металла. И распределены эти электроны, в среднем, равномерно.
Представьте себе, что нам удалось каким-то образом переместить часть этих свободных электронов в левую часть нижнего отрезка металла. При этом в его правой части окажется дефицит электронов.
Мы получили так называемый диполь: левая часть отрезка заряжена отрицательно, правая – положительно. Отлично. А что будет происходить в верхнем отрезке? Мы знаем, что одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные — притягиваются. Следовательно, электроны верхнего отрезка, отталкиваясь от электрических полей электронов нижнего отрезка, уйдут в правую часть. То есть, картина распределения электронов в этих двух отрезках металлов станет зеркальной:
Такое влияние заряженных предметов на соседние предметы, приводящее к перераспределению зарядов в них, называется электростатической индукцией.
Теперь самое интересное: положительно заряженные ядра атомов в левой части верхнего отрезка оказались напротив электронов, собранных в левой части нижнего отрезка. А противоположные заряды притягиваются. Значит, левые части отрезков начнут притягиваться друг к другу!
То же самое будет происходить в правой части отрезков – только зеркально. И правые концы отрезков также будут притягиваться друг к другу. Чудесно, не так ли? Перераспределение зарядов внутри одного из отрезков проводников, привело к взаимному притяжению этих двух отрезков!
А что произойдет, если теперь переместить свободные электроны нижнего отрезка в его правый конец? Тогда свободные электроны верхнего отрезка переместятся в левый конец. То есть, перемещая электроны туда – сюда в одном из отрезков, мы заставляем перемещаться электроны соседнего отрезка, никак не связанного с первым! Такое влияние перемещения электронов в одном проводнике на перемещение электронов в соседнем проводнике называется электродинамической индукцией.
Хотя это и не относиться к нашей теме, отметим, что мы с вами в несколько упрощенном виде изучили, как работает антенна и приемник при радиопередаче.
Мы можем расположить эти два отрезка металла иначе – торцами друг к другу:
Если мы сумеем переместить электроны, допустим, в правую часть левого отрезка, электроны правого отрезка, отталкиваясь от них, также переместятся в правую часть правого отрезка:
И в этом случае эти два отрезка металла начнут притягиваться друг к другу, так как их ближние концы имеют противоположный заряд. Следует особо обратить внимание на то, что во втором варианте расположения отрезков, сила их взаимного притяжения будет слабее, так как притягиваются только их встречные торцы, в то время, как при первом варианте расположения отрезков, притягивались друг к другу как левые, так и правые концы.
Но как это относится к соединению атомов? Давайте посмотрим на атом водорода. В нем имеется электрон, перемещающийся вокруг ядра. И если рядом окажется второй атом водорода, этот электрон заставит электрон соседа перемещаться примерно так же, как они перемещались в наших отрезках металла – пока электрон одного из атомов находится с одной стороны ядра своего атома, соседний будет вынужден находиться с противоположной стороны своего атома.
Здесь, разумеется, влияние не одностороннее, а взаимное – как первый электрон влияет на второй, так и второй влияет на первый. Но самое главное в том, что эти два атома будут притягиваться точно так же, как притягивались два куска металла во втором варианте их взаимного размещения (торцами друг к другу).
Суть такая же: электроны держатся подальше друг от друга, позволяя разноименным зарядам притягиваться друг к другу. Представьте себе, что электрон одного из атомов оказался между ядрами двух соседних атомов, в то время, когда электрон соседнего атома находился в противоположной, удаленной точке орбиты:
Теперь у нас есть отрицательно заряженный электрон, находящийся между двумя положительно заряженными ядрами атомов. Ядра обоих атомов притягиваются к этому электрону. Таким образом, электрон в данный момент связывает два атома.
Расстояние между ядрами атомов больше, чем расстояние от каждого из ядер до электрона, находящегося между ними. А мы помним, что сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Поэтому, в данный момент, сила притяжения ядер к электрону больше, чем взаимное отталкивание ядер.
Но электроны постоянно перемещаются, и поэтому через некоторое время первый электрон покидает место между ядрами, зато туда перемещается второй электрон. В этот момент роль связующего переходит электрону второго атома (момент 3 на рисунке ниже).
Заметим, что в моменты времени, показанные на рисунках 2 и 4, между ядрами атомов нет электронов. В эти моменты ядра отталкиваются друг от друга. По этой причине расстояние между атомами колеблется — постоянно меняется в процессе вращения электронов вокруг ядер, но сохраняется ее средняя длина, называемая длиной связи. Длина связи – расстояние между ядрами атомов — индивидуальна для каждой пары видов атомов, объединенных в молекулу.
Электроны этих двух атомов в образовавшейся молекуле водорода стараются находиться как можно дальше друг от друга так же, как они делали это в отрезках металлов. За счет этого происходит их синхронизация – их расположение относительно друг друга на каждом обороте вокруг ядер примерно одинаково.
Это несколько напоминает коллективное исполнение вальса, когда пары вращаются с одинаковой скоростью таким образом, чтобы ни дамы, ни кавалеры никогда не оказывались рядом друг с другом, а всегда чередовались:
Данная статья — выдержка из книги «Понятная химия».
Источник
