Химия по жизни. Как устроен наш быт, отношения, предметы и вещи с точки зрения химических реакций, атомов и молекул - Кейт Бибердорф

Большинство неметаллов располагаются в верхнем правом углу периодической таблицы, начиная с углерода в четвертой группе и так по восьмую. В периодах ниже углерода неметаллы располагаются выше диагонали кремний – астат.

Металлов в пять раз больше, чем неметаллов, но при этом 99 % всего во Вселенной состоит из водорода и гелия – неметаллов! Другой неметалл – газообразный кислород – очень важен для выживания человечества. Самое интересное, что некоторые неметаллы стабильны, а некоторые – невероятно реакционноспособны.

Возможно, вам интересно, почему я так много времени уделяю металлам и неметаллам. Дело в том, что состав атома (это металл? или нет?) – первое, что необходимо понять перед определением того, какой тип связи образуется внутри молекулы того или иного элемента. В химии есть два основных вида связи: ковалентная и ионная.

Давайте начнем с ковалентной.

Простейшая форма ковалентной связи – это одинарная связь. Она образуется в том случае, если между двумя атомами есть одна общая электронная пара. По правде говоря, все ковалентные связи образуются тогда, когда у двух атомов появляются общие электронные пары. При одинарной связи каждый атом отдает по одному электрону. Давайте вернемся к предыдущему примеру и рассмотрим связь, которую я установила с Райаном Рейнольдсом.

Представим, что Райан левой рукой держит меня за правую руку. Между нами есть два электрона, и мы находимся на расстоянии вытянутой руки. На таком расстоянии я начинаю чувствовать, что мои «электроны» притягиваются его «протонами». И тут Райан решает образовать двойную связь: он поднимает свою свободную правую руку и берет меня за мою левую. Теперь мне нужно немного повернуться, чтобы нам было удобно. Расстояние между мной и Райаном сокращается; теперь мы стоим лицом к лицу. Наша «связь» стала крепче, так как между нами образовалось две связи. (Отсюда и происходит название «двойная связь».)

Двойная связь намного прочнее одинарной, а из-за расположения электронов атомы могут находится близко друг к другу. При двойной связи между двумя атомами располагаются четыре электрона: по одному в каждой «руке».

Чтобы образовать тройную связь, Райану нужно будет обхватить меня ногой (только не рассказывайте моему мужу!). Тройная связь позволяет атомам находиться невероятно близко друг к другу. Теперь мы с Райаном образовываем три связи: по связи на каждую пару рук и еще одна в том месте, где он обхватывает меня ногой. У нас есть три общих места, где мы обмениваемся электронами.

Немного математики: у нас есть три связи, в каждой связи – два электрона. Получается, что у нас есть шесть электронов, общих для двух атомов. Это одна из причин, почему тройная связь обладает большой прочностью и почему ее так сложно разорвать. К тому же в тройной связи атомы располагаются ближе друг к другу, так как у них есть шесть общих электронов.

Одинарные, двойные и тройные связи являются самыми распространенными типами связей в ковалентных молекулах. Вы взаимодействуете с ними постоянно. Например, они есть в вашем шампуне, зубной пасте или даже кружке утреннего кофе – а еще в вашей одежде, косметике и дезодоранте. Чуть позже я расскажу о том, что ковалентные связи постоянно окружают нас, где бы мы ни находились. Осмотритесь: большинство вещей возле вас содержат ковалентную связь. А я даже не знаю, где вы сейчас! Вот настолько распространены ковалентные связи в нашем мире.

Ученые определяют ковалентные связи по тому, как атомы делят электроны. Распределение происходит равномерно? Или один из атомов постоянно забирает себе все электроны? Если два атомы распределяют электроны поровну, то связь называется чисто ковалентной. Она может образоваться только в том случае, если электроны атома А притягиваются к протонам атома В так же сильно, как и электроны атома В притягиваются к протонам атома А.

Возможно, вам будет чуть проще, если вы начнете думать о чисто ковалентных связях как о романтических отношениях. Я могу установить чисто ковалентную связь только в том случае, если мое сердце будет притягиваться к телу другого человека, а его сердце будет притягиваться к моему телу. Как сильно его внутренности будут притягиваться к моей внешности? Если притяжение с обеих сторон одинаковое, то образуется чисто ковалентная связь.

Однако, как и в любви, очень редко случается так, чтобы между атомами было совершенно одинаковое притяжение. Большинство притяжений не сбалансированы. Когда атомы притягиваются друг к другу с разной силой, это уже не чисто ковалентная связь. Такая связь называется полярной ковалентной. Давайте немного поговорим об электрических силах в притяжении – и нет, я говорю не о пробегающей искре между вами и очень милым незнакомцем. С помощью электроотрицательности химики определяют, как сильно электроны атома А притягиваются к протонам атома В. Полярные ковалентные связи образуются в том случае, когда два атома обладают разной электроотрицательностью; при этом в чисто ковалентной связи электроотрицательность атомов одинаковая.

Ну как, вы все еще держитесь? Отлично. Напомню, что в чисто ковалентной связи два атома в равной степени обмениваются электронами. Однако в полярной ковалентной связи один из атомов притягивается сильнее другого. Как правило, ученые знают, какой электроотрицательностью обладает тот или иной атом. Все это можно найти в периодической таблице. Атомы с высокой электроотрицательностью расположены в верхнем правом углу рядом с фтором, кислородом, азотом и хлором. Эти четыре атома привлекают другие. Например, самые электроположительные атомы – которые практически не притягивают к себе – расположены в верхнем левом углу периодической системы. К ним, например, можно отнести литий, бериллий, натрий и магний.

Химики хотят выяснить, какой атом обладает большей электроотрицательностью внутри полярной ковалентной связи, так как им важно понимать, к какому атому притягиваются электроны. Положение электронов внутри молекулы определяет ее поведение с другими молекулами. Не забывайте, что химики обожают предсказывать результаты химических реакций.

Многие химики считают молекулы с равномерным распределением электронов скучными, ведь они, как правило, не вступают в реакции и взаимодействуют только с точно такими же молекулами, у которых электроны внутри распределены равномерно. Молекулы с неравномерным распределением электронов отличаются высокой реакционной способностью. И химики вроде меня обожают работать с такими, ведь такие молекулы предпочитают взаимодействовать с другими реакционноспособными молекулами.

А теперь давайте представим, что в периодической таблице указано, что Райан Рейнольдс в связи со мной является менее привлекательным партнером (он электроположительный[2]). Так как я электроотрицательнее его, можно предположить, что в скором времени валентные электроны Райана попытаются покинуть его тело и встроиться в мое. Электроны через ковалентную связь в наших руках будут перемещаться сначала от его руки к моей, а затем вверх, пока