Факультет

Студентам

Посетителям

Атомы строят молекулы и кристаллы

Квантовомеханическая теория атома справедливо считается одним из величайших триумфов физики.

Дав такое точное описание свойств атома, эта теория подвела прочный фундамент, если не подо всю естественную науку, то во всяком случае под большую ее часть, поскольку материя состоит из атомов. Зная свойства атомов, мы в состоянии рассчитать, каким образом они соединяются вместе и какие законы здесь действуют. При помощи квантовой механики мы можем определить не только свойства атомов, но и свойства всех веществ, образуемых ими: мы можем понять, почему золото обладает желтым цветом, а сталь тверда; почему водород и кислород, соединяясь, дают воду; и что происходит, когда вода замерзает, образуя лед, или кипит, превращаясь в пар. Задача сводится к детальному расчету, как силы, заложенные во многих атомах, взаимодействуют часто весьма замысловатым и непонятным образом. Другое дело, если мы знаем основные законы их соединения, — тогда мы располагаем секретом их поведения.

Тот факт, что некоторые проблемы ядерной физики и физики элементарных частиц все еще не разрешены, не так уж важен для естественной науки в целом. Ядерная физика довольно четко отделена от других отраслей физики. Строение атома определяется почти исключительно зарядом ядра и до некоторой степени его массой. Внутреннее строение ядра, которое, пожалуй, еще не до конца ясно, имеет отношение лишь к некоторым экстраординарным явлениям, таким, как распад радиоактивных элементов и взрыв атомной бомбы. При рассмотрении всех более «нормальных» явлений можно ограничиться изучением свойств атомной оболочки. Вот тут-то квантовая механика незаменима!

Мы видели, что атомное ядро обычно окружено электронами, число которых равно заряду ядра. Это число электронов необходимо для нейтрализации заряда ядра. Если же так или иначе атом теряет один электрон, оставшихся электронов недостаточно для полной нейтрализации положительного заряда ядра. Действие этого положительного заряда распространяется за пределы самого атома, и как только какой-либо электрон оказывается поблизости от такого атома, он притягивается к нему, восполняя утерянный электрон.

Но и в этом случае, когда ядро окружено нужным числом электронов, определенные силы, исходящие из атома, оказывают воздействие на свое окружение. Их интенсивность определяется эффективностью, с которой электроны экранируют поле ядра, и симметричностью их расположения вокруг ядра. В атоме электроны имеют тенденцию образовывать «оболочки». Каждая оболочка содержит определенное число электронов, и если она занята полностью, действие сил, простирающееся за пределы электронной оболочки, очень мало. Ближайшая к ядру оболочка, так называемая K-оболочка, состоит из двух электронов, вращающихся в непосредственной близости от ядра. Если в атоме более двух электронов, дополнительные электроны должны вращаться на большем удалении от ядра. L-оболочка рассчитана на восемь электронов, но если число электронов в атоме больше десяти, остальные должны вращаться по орбитам, еще более удаленным от ядра и образующим М-оболочку.

Если число электронов, содержащихся в атоме определенного вещества, недостаточно для заполнения всей оболочки, расположение электронов становится асимметричным, в результате чего очень интенсивные силы проникают за пределы атома. Это те силы, которые удерживают вместе два или более атома, образующие молекулу. Химические свойства атома, т. е. его способность соединяться с другими атомами, образуя довольно сложную молекулу, зависят, таким образом, от структуры электронной оболочки. К этому же типу относятся и силы, удерживающие вместе атомы и образующие, таким образом, твердое тело,

Если внешняя оболочка атома «укомплектована» электронами полностью, или, другими словами, «закрыта», силовое поле за пределами атома в таком случае очень слабое. Таким образом, атомы, имеющие заряд ядра и, следовательно, эквивалентное число электронов — 2, 10, 18, например, характеризуются слабым силовым полем. Все эти вещества являются инертными газами: гелий — с двумя электронами на K-оболочке; неон — с двумя электронами на K-оболочке и восемью электронами на L-оболочке и аргон — с двумя электронами на K-оболочке, восемью на L-оболочке и восемью на М-оболочке. Силы, с которыми такой атом может действовать на другие атомы, настолько слабы, что химическое соединение просто невозможно. Таким образом, инертные газы обязаны своим названием тому факту, что они действительно «инертны», т. е. не в состоянии образовывать соединения. Их атомы предпочитают быть свободными и независимыми, или, другими словами, они образуют газ. Только при очень низких температурах инертные газы могут конденсироваться в жидкое или твердое состояние; однако силы, удерживающие атомы вместе, настолько слабы, что достаточно лишь малейшего подогревания, чтобы атомы вновь высвободились и вещество вновь перешло в газообразное состояние.

Вокруг атомов всех других веществ силовые поля настолько интенсивны, что атомы в состоянии соединяться с другими атомами и образовывать молекулы. Простейшим примером образования молекулы является соединение двух атомов водорода в молекулу водорода. Такая молекула состоит из двух атомных ядер (протонов) и двух электронов, которые, так сказать, удерживают их вместе. Два электрона образуют K-оболочку, делая силы, исходящие из молекулы водорода, очень слабыми. Так, при нормальной температуре водород является газом, поскольку силы между молекулами недостаточны для удерживания их в положениях, характерных для жидкого или твердого состояния.

Другое дело, если соединяются два атома углерода: силы, исходящие из них, остаются настолько энергичными, что оказываются достаточными для притяжения еще нескольких атомов. В результате довольно большое число атомов углерода может соединяться в группы. Такие соединения могут быть беспорядочными или же они могут образовывать исключительно симметричную структуру — кристалл. Кристаллическая форма углерода называется алмазом. Атомы в кристалле расположены прямыми рядами, и это совершенное расположение сохраняется даже в таких крупных кристаллах, как в бриллианте Кох-и-Нур. Силы, действующие между соседними атомами, определяют твердость кристалла и внутреннюю силу сцепления. Металлы также образуют кристаллы, многие из которых микроскопически малы. Кусок металла состоит из очень большого числа маленьких кристаллов, спекшихся вместе.

Молекулы часто состоят из различных видов атомов. И натрий, и хлор — вещества, которые трудно получить в чистом виде, однако их химическое соединение — хлористый натрий (поваренная соль) — широко распространенное вещество. Атом натрия имеет 11 электронов: 2 на K-оболочке, 8 на L-оболочке, а одиннадцатый на М-оболочке. У атома хлора 17 электронов, таким образом, на М-оболочке занято 7 мест. Атом натрия «отпускает» от себя свой наиболее отдаленный электрон с тем, чтобы все оставшиеся электроны находились на целиком заполненных оболочках. Атом же хлора с готовностью принимает еще один электрон, с тем чтобы до конца заполнить свою М-оболочку. Если, таким образом, соединить натрий с хлором, то каждый атом хлора притягивает к себе один электрон атома натрия. В результате атомы хлора и натрия химически соединяются и образуют хлористый натрий.

Среди органических соединений можно найти молекулы, состоящие из тысяч и даже миллионов атомов.

Из всех химических соединений, которые могут образовывать атомы, самыми интересными несомненно являются органические вещества. Самым важным их элементом является углерод, который обычно находится в соединении с кислородом и водородом. Многие вещества содержат азот, а также и другие элементы. Органические вещества примечательны не размером своих молекул. Кристалл, например, можно рассматривать просто как гигантскую молекулу, а алмаз содержит несравненно большее число атомов углерода, чем любая органическая молекула. Однако в алмазе атомы находятся в строго определенном порядке — они расположены ровнее, чем шеренги солдат на параде. Органические вещества имеют разнообразную и изменчивую структуру. Соединяясь, атомы углерода могут образовывать кольца, а также длинные цепи, иногда с ответвлениями. К такому углеродному каркасу присоединяются атомы кислорода, водорода и многие другие атомы. Совершенная симметрия сообщает алмазу его твердость и блеск; однако именно беспорядочность и разнообразие соединений делают органические вещества гораздо более ценными, чем алмазы, поскольку они являются носителями жизни. В то время как алмаз отличается устойчивой и постоянной структурой, органические вещества скоропреходящи. Длинную углеродную цепь легко разорвать, с таким же успехом ее можно удлинить. Внутри молекулы атомы могут менять свое положение, а органическое соединение может легко видоизмениться в другое. Такая гибкость и разнообразность видоизменения соединений дает возможность молекулам создавать невероятно сложные структуры живых существ.

Все вещества — будь то воздух, вода, земля, сталь, стекло, дерево или протеины — состоят из атомов. Благодаря нашему глубокому знанию структуры атома мы можем вычислить силы, с которыми атомы воздействуют друг на друга. Химические силы могут быть рассчитаны в соответствии с квантовомеханической теорией, атома, а отсюда мы можем вывести свойства всех веществ — по крайней мере, в принципе. Как мы уже упоминали, эта оговорка («в принципе») очень важна. Мы видели, как можно теоретически рассчитать спектр простейших атомов, а также и другие свойства с той же самой точностью, с какой они могут, быть измерены. Переходя к более сложным атомам, мы не видим причины, по которой мы не смогли бы рассчитать их теоретически; однако, как показывает практика, выполнение таких вычислений представляет собой огромную обескураживающую работу. Это ограничение относится к химическим силам. Исходя из наших знаний о структуре атома водорода, мы подробно рассчитали условия, при которых соединяются два атома водорода, образуя молекулу водорода, мы также теоретически определили различные свойства этой молекулы. Результаты этих расчетов совпадают с нашими наблюдениями. Для более сложных соединений расчеты эти менее точны. Между теорией и наблюдениями не найдено неувязок, да и нет причин ожидать их. В принципе поэтому про всю химию можно сказать, что она подпадает под атомную теорию и, стало быть, свойства всех веществ могут быть теоретически выведены из основных законов квантовой механики. Однако теоретические расчеты для большинства веществ становятся слишком сложными. Проще исследовать свойства вещества, используя обычные химические методы, чем выводить их теоретически.

Хотя это утверждение особенно справедливо в отношении большинства сложных органических веществ, тем не менее использование квантовой механики в органической химии исключительно важно. При помощи квантовой механики ученые получили много результатов, имеющих важное и прямое отношение к органической химии и биохимии.