Химические силы

О том, что химические силы имеют электромагнитную природу, догадывался еще Фарадей. «Атомы материи,— писал он,— каким-то образом одарены электрическими силами или связаны с ними, и им они обязаны своими наиболее замечательными качествами и в том числе своим химическим сродством друг с другом». В настоящее время электрическая природа химических сил строго доказана.

Силы Ван-дер-Ваальса не способны объяснить образования молекул. Прежде всего для этого они слишком слабы. Но не это главное. Химическая связь, подобно тесной дружбе между людьми, обладает необычайным свойством насыщения. Атом водорода может присоединить к себе только один такой же атом, но ни в коем случае не два и не три. Атом углерода способен связать четыре атома водорода, но не более, и т. д. Это свойство с самого начала представляется загадочным. Ни один тип сил, с которыми мы имели дело до сих пор, не обладал свойством насыщения.

0187.gif

Звезда, например, подобно оратору, который может взаимодействовать с аудиторией любой величины, способна притягивать к себе любое число планет. Сила, действующая на одну из них, никак не зависит от наличия остальных. Не знают насыщения электромагнитные силы между заряженными частицами. Не знают его и силы молекулярного притяжения.

Свойство насыщения выражается в химии понятием валентности, которое было введено еще задолго до того, как ученые смогли приступить к выяснению природы химических сил.

Химическую связь в самых общих чертах можно объяснить как результат коллективизации внешних (валентных) электронов двух соединяющихся атомов. При определенных расстояниях между ядрами коллективизированные электроны, проходя между ядрами, компенсируют отталкивание последних. На больших расстояниях коллективизация не возникает и действуют только силы Ван-дер-Ваальса. Насыщение обусловлено ограниченным числом коллективизируемых электронов.

В простейшей молекуле — молекуле водорода — оба электрона ведут себя так, как если бы каждый электрон проводил часть времени возле одного ядра, а часть — возле другого. Именно поэтому возникающие вследствие коллективизации электронов силы называются часто обменными. Однако не следует слово «обмен» понимать слишком буквально, как колебания электронов от одного протона к другому. Такой наглядности, свойственной классической механике, нет. Истинный смысл обменного эффекта состоит в одновременной коллективизации двух электронов двумя одинаковыми ядрами.

Форма электронного облака молекулы водорода (Н2) сильно отличается от сферически симметричного облака изолированных атомов. Получающаяся картина несколько напоминает делящуюся биологическую клетку до ее полного разделения.

Атомные ядра соответствуют ядрам дочерних клеток, а электронный заряд — протоплазме *). Протоплазменный тяж удерживает клетки друг возле друга, пока процесс деления не завершится. В случае молекулы ту же роль играет тяж из «электронной протоплазмы». Она вызывает взаимное притяжение ядер кулоновскими силами, как если бы некоторая часть отрицательного электрического зяряда была сосредоточена между ними. При не слишком малых расстояниях между ядрами силы, вызванные коллективизацией электронов, с избытком компенсируют отталкивание ядер. При очень малых расстояниях часть заряда, сосредоточенная между ядрами, становится недостаточной. Электроны как бы выталкиваются из промежутка между ядрами во внешнюю область, и расталкивание ядер уже не компенсируется.

1 2