После принятия основных положений атомно-молекулярного учения прошло более 100 лет. Можно ли считать, что за эти годы все утверждения атомно-молекулярного учения остались верными и неизменными? Конечно же, нет.

Так, мы уже выше отметили, что положение атомномолекулярной теории о том, что атомы представляют собой мельчайшие, далее неделимые частицы, является в настоящее время безнадежно устаревшим и, по-видимому, дальнейших комментариев не требует.

Далее, атомно-молекулярная теория утверждает, что все вещества состоят из молекул. Всегда ли верно это утверждение? Нет. С одной стороны, многие простые вещества состоят из отдельных атомов. Так, инертные газы не только в газообразном состоянии, но и находясь при определенных условиях (низкие температуры, большие давления) в жидком и твердом состояниях, представляют совокупность слабо взаимодействующих между собой отдельных атомов. Простое вещество алмаз следует рассматривать как одну гигантскую молекулу, состоящую сразу из всех атомов углерода, связанных между собой прочными химическими связями. Особая форма химической связи — металлическая связь — удерживает в виде единого целого атомы, положительные ионы и электроны в куске металла. Кристаллик поваренной соли — это одна гигантская химическая частица, состоящая из ионовimage21, которые

находятся в узлах кристаллической решетки и сильным электростатическим притяжением связаны одновременно с большим числом противоположно заряженных ионов.

С другой стороны, например, химически чистая вода представляет собой не только совокупность молекулimage22но и молекул составаimage23— димеры, image24 — тримеры,image25, гдеimage26и т.д. Одно

временно с такими молекулами в химически чистой водеприсутствуют ионы гидроксонияimage27, гидроксилаimage28 и т. д.

Но если не обращать внимания на многочисленные исключения и считать, что для большинства веществ атомы настолько взаимодействуют между собой, что возникают качественно новые образования — молекулы, коренным образом отличающиеся по своим свойствам от атомов (а молекулы одного вида, напримерimage29присутствуют в подавляющем количестве), то мы и сейчас можем говорить: все вещества состоят из молекул.

Наконец, с точки зрения современных взглядов насколько справедливо утверждение атомно-молекулярного учения о том, что молекулы состоят из атомов?

Если молекулы состоят из атомов, причем в состав многих молекул входит небольшое число атомов, иногда всего два, то почему свойства молекул так резко отличаются от свойств атомов, их образующих (сравните свойства хлористого натрия со свойствами натрия и хлора)? Сейчас мы знаем, что атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронов, распределенных в пространстве вокруг ядра по электронным оболочкам, при этом химические свойства определяются в первую очередь строением внешней электронной оболочки. У «атомов в молекуле» остаются неизменными только ядра, более или менее сохраняется строение внутренних электронных оболочек и происходит коренное, качественное изменение внешней электронной оболочки, получается новая молекулярная электронная оболочка, которая и обусловливает новые химические и многие новые физические свойства молекул.

Не зная истинной природы химической связи, раньше, например, предполагали, что атомы удерживаются в молекуле, сцепляясь друг с другом какими-то «крючочками», «зацепками», «присосками» и т. д. В большинстве случаев конкретная физическая природа химической связи не уточнялась, а строение молекул изображалось такими формулами:

Ясно, что такая форма изображения молекулы не подчеркивает тех качественных изменений, которые происходят с электронной оболочкой атома, когда он входит в состав молекулы. Поэтому, строго говоря, под символом Н в изображенных молекулах мы должны понимать не атом водорода, а ядро атома водорода, так как только оно сохраняется неизменным в составе молекулы.

После создания планетарной модели строения атома американский ученый Джильберт Ньютон Льюис (1875—1946) в 1916 г. предложил электронные формулы. Для изображенных выше молекул они выглядели таким образом;

Такие формулы лишены физического смысла, так как, во-первых, под символамиimage30понимают

прежние «неизменные атомы», во-вторых, в этих формулах показано, что химическая связь образуется парой электронов, но ведь электроны имеют одноименные заряды и, следовательно, должны отталкиваться друг от друга и поэтому мешать образованию связи.

Таким образом, пара электронов в формулах Льюиса только символизирует образование химической связи, а не вскрывает ее природу, просто является более современным аналогом «крючочков», иллюстрирующих связь атомов в молекуле.

image31

image32

Тем не менее из-за своей наглядности эти электронные формулы нашли широкое распространение, особенно в учебной литературе. При этом часто забывают об их символическом значении и пытаются с их помощью объяснить физический смысл различных химических процессов. Ясно, что и в этом случае можно только говорить о символической иллюстрации, а не о научном объяснении, так как реальной физической модели электронные формулы не представляют.

Правда, открытие в 1926 г. у электрона собственного момента количества движения — спина — и установление того, что у пары электронов, образующих химическую связь, спины имеют противоположную ориентацию в пространстве (спины антипараллельны, что изображается такimage33), как бы явилось доказательством, что именно образование электронной пары является причиной образования химической связи. Чтобы придать физический смысл такому подходу, иногда в учебной литературе говорится, что химическая связь образуется за счет взаимодействия магнитных полей с противоположными спинами или магнитных полей, образующихся при согласованном движении электронов по атомным орбитам в противоположные стороны. Однако оказывается, что при самых благоприятных предположениях энергия такого магнитного взаимодействия могла бы объяснить лишь ничтожную долю энергии химической связи.

Чтобы показать, что спаривание электронов является не причиной образования химической связи, а лишь «досадной» необходимостью (энергетически невыгодной)— следствием принципа Паули, по которому два электрона не могут находиться на одной атомной или молекулярной орбитали, имея параллельные спины, приведем два примера.

1. Существует химическая частица — молекулярный ион водородаimage34, — в которой химическая связь образована всего одним электроном. Этот электрон взаимодействует сразу с двумя ядрами, и за счет своих корпускулярно-волновых свойств он как бы распределен в пространстве вблизи этих двух ядер (но так, что максимальная электронная плотность находится между ядрами и за счет этого нейтрализуется отталкивание между одинаково заряженными ядрами). Два ядра вместе с

одним электроном образуют единую химическую частицу, молекулярный ион водорода, с прочной химической связью (энергия связи или энергия диссоциации равна 60 ккал/моль).

2. Теперь рассмотрим молекулу водорода. Здесь химическая связь образована парой электронов. Если спаривание электронов при образовании химической связи энергетически выгодно, т. е. способствует ее образованию, то энергия связи в молекуле водорода должна быть значительно (или несколько) больше, чем удвоенная энергия связи в молекулярном ионе водородаimage35 Если же спаривание электронов энергетически невыгодно и является- лишь «неприятным», вынужденным следствием принципа Паули, то энергия связи в молекулеimage36должна быть меньше удвоенной величины энергии связи вimage37.Так как энергия связи в молекуле водорода составляет величину 104 ккал/моль, то это и доказывает второе предположение. С точки зрения квантовой механики, самой точной науки о микромире, молекула — это совокупность ядер атомов и электронов. Никаких неизменных атомов, связанных химическими связями, в молекуле нет. Например, молекула воды представляет собой систему, состоящую из ядра атома кислорода с зарядом +8 и двух протонов с зарядом каждого +1, которые расположены в вершинах равнобедренного треугольника с расстоянием

между ядрамиimage38,равнымimage39image40 и десяти электронов, расположенных в пространстве между ядрами.

image41

Если мы рассмотрим теперь такие частицы, какimage42 иimage43, то расстояние между ядрами в молекуле водорода равно 0,741 А, а в гидроксиле — 0,970 А. Расстояние между ядрами атома кислорода и протоном (ядром атома водорода) в молекуле воды — 0,957 А, т. е. несколько меньше, чем у молекулы гидроксила, а расстояние между ядрами водорода в молекуле воды более чем в два раза больше, чем в молекуле водорода .

Поэтому можно считать, что взаимодействие между ядром атома водорода и долей электронной плотности (с зарядом, равным—1), которая находится вблизи этого ядра, т. е. «как бы атомом водорода» в молекуле воды, и ядром атома кислорода и долей электронной плотности (с зарядом, равным — 8), находящейся вблизи этого ядра — «как бы атомом кислорода» в молекуле воды, — будет очень сильным, и его называют химической связью, которая связывает эти «эффективные атомы» в одно целое. Взаимодействие между «эффективными атомами» водорода в молекуле воды является значительно более слабым, чем в молекуле водорода, и поэтому считают, что эти атомы в молекуле воды не связаны друг с другом химическими связями, а оказывают друг на друга лишь «взаимное влияние».

Таким образом, пользуясь до настоящего времени традиционной терминологией, встречая ее в различных учебниках (и в нашем также), идущей от истоков атомно-молекулярной теории — молекулы состоят из атомов, — мы должны понимать всю условность и ограниченность такой терминологии.