Лаборатория химических историй. От электрона до молекулярных машин - Михаил Левицкий

Итак, к началу 1930-х гг. была в основном построена электронная структура всех известных к тому времени элементов. Продолжим заполнять электронами элементы второго периода.

Переходим на второй этаж: элементам от лития до неона (второй период) для "заселения" доступно два этажа. Они помещают свои электроны и на первый, и на второй этаж. Так "поступают" все элементы – постепенно заселяют электронами все этажи от первого до "разрешенного" им самого верхнего, а "разрешение" дает величина заряда ядра.

Элементы Li и Be заполнят s-орбитали первого и второго этажей. Некоторое своеобразие состоит в том, что s-орбиталь первого уровня представляет собой обычную сферу, а s-орбиталь второго уровня – тоже сферическая, но двуслойная, то есть это шар в шаре, между которыми есть пустой промежуток (рис. 4.6), где электрон практически не появляется. Эта особенность s-орбиталей сохраняется и далее: в третьем периоде (этаже) эта орбиталь трехслойная. Получается, что номер периода в таблице Менделеева указывает также и количество слоев в соответствующей s-орбитали. Элементы, у которых на самом верхнем уровне заполнены только s-орбитали, называют s-элементами, что вполне логично. Это все щелочные и щелочноземельные металлы – ячейки с этими элементами в таблице Менделеева закрашены одинаково.

Наиболее важная деталь – в том, что у "жильцов" второго этажа появляется дополнительное преимущество: после того как они заполнят s-орбитали первого и второго этажей, на втором этаже им предоставляется еще и трехкомнатная квартира – три р-орбитали, и на каждом последующем этаже их всегда три. Форма р-орбиталей совсем другая. Как их только не называли! И двухлопастными винтами, и гантелями, а сейчас утвердилось название «объемные восьмерки». Внешне они одинаковы, но по-разному ориентированы в пространстве, а их максимальная электронная плотность сосредоточена вдоль одной из трех координатных осей – х, y или z (рис. 4.7). Именно так изображают область наиболее вероятного местонахождения электронов, поселившихся на р-орбиталях.

Подобным образом, как и на рис. 4.7, изображают эти орбитали во всех учебниках, но истинный их вид заметно отличается от общепринятого. Сравните рис. 4.7 и рис. 4.8.

Орбитали совсем не похожи на вытянутые капли – скорее напоминают булочки или дамские пуговицы. Именно на таких орбиталях размещаются p-электроны у элементов второго периода периодической системы, начиная с бора и кончая неоном. Вполне логично, что эти элементы называют р-элементами – в таблице Менделеева р-элементы выделяют специальной окраской.

Переходим на третий этаж – по количеству квартир он воспроизводит второй, но есть небольшое отличие: р-орбитали (рис. 4.9) внешне несколько отличаются от своих аналогов второго этажа. У них появляется «юбочка», и вся конструкция становится похожей на старинную настольную лампу, только сдвоенную. Эти орбитали постепенно заполняются электронами, начиная с алюминия и кончая аргоном, и их тоже называют р-элементами. В таблице они имеют точно такую же окраску, как р-элементы второго периода.

При переходе к четвертому электронному уровню «юбочка» усложняется: теперь это типичные шампиньоны, хотя некоторые энтузиасты с развитой фантазией называют их медузами (рис. 4.10).

Отметим, что при переходе на каждый следующий уровень внешне изменяются не только s-орбитали, приобретающие многослойность, но и р-орбитали, у которых усложняется суженная часть. Как же ученые смогли увидеть и изобразить столь необычные формы? Это результат расчетов, выполненных методами квантовой химии, а его соответствие действительности подтверждают структурные исследования. Почему же так сильно искажены р-орбитали, изображенные в книгах? Здесь нет никакого злого умысла – это просто результат естественного упрощения. Чтобы объяснить происходящие взаимодействия, вполне достаточно указать пространственное расположение орбиталей и приблизительные их очертания – ведь гораздо проще изобразить каплевидную форму, а с ее помощью удобнее показывать перекрывание орбиталей, происходящее при образовании химических связей. Возьмем более понятный пример: когда мы пишем уравнение реакции, то обозначаем атомы с помощью символов химических элементов, но не изображаем около каждого из них все электроны на всех уровнях и не помечаем электроны символами р и s. В большинстве случаев этого не требуется, но если возникает такая необходимость, то мы введем, например, в показанную схему реакции пару электронов (в виде пары точек), образующую ковалентную связь.

Тем не менее истинные формы орбиталей важны, и их принимают во внимание при сложных расчетах, учитывающих пространственные взаимодействия. Однако результаты расчетов (различные энергетические параметры) представляют собой только числа – и именно они интересуют исследователей. Изображать же все подобные расчеты в виде объемных картинок, как правило, нет необходимости. Только редкие энтузиасты берут на себя нелегкий труд по созданию визуальных образов. И благодаря их усилиям мы можем увидеть, как все выглядит на самом деле, а заодно оценить причудливую фантазию природы. Ниже показаны результаты работы одного из таких энтузиастов – профессора Марка Винтера из Шеффилдского университета.

Если форму р-орбиталей чаще всего обсуждают в учебниках органической химии, то следующие за ними пять d-орбиталей (пятикомнатная квартира) – любимая тема в координационной химии, рассматривающей свойства комплексных соединений. Эти орбитали появляются в четвертом периоде, и в каждом последующем периоде их всегда пять. Они начинают «заселяться» электронами у переходных элементов (чаще их называют d-элементами), начиная со скандия и кончая цинком. В таблице Менделеева они окрашены в цвет, отличающийся от s– и р-элементов. Формы d-орбиталей сложнее, чем у р-орбиталей: четыре из них имеют одинаковый внешний вид (четырехлопастной винт – а точнее, крестообразно расположенные четыре капли), но по-разному ориентированы в пространстве. Пятая d-орбиталь имеет необычную форму – это объемная восьмерка, продетая сквозь тор или, как говорят в быту, бублик. Обычно в книгах по координационной химии эти орбитали изображают так, как показано на рис. 4.11, независимо от того, к какому уровню они относятся.