6.2. Пространственное строение молекул

В молекуле водорода химическая связь двух атомов осуществляется, как мы видели, за счет влияния электронных облаков между атомами. В невозбужденных атомах эти электроны находятся в s-состояниях, и их волновые функции сферически симметричны. Форма перекрывания этих облаков показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Форма перекрывания электронных оболочек: 1  оба электрона находятся в s-состоянии; 2  один из электронов находится в рсостоянии

Но часто валентные электроны находятся в рсостоянии с угловым моментом, равным единице. В этом состоянии волновая функция, соответствующая нулевой проекции момента на какую-либо ось, пропорциональна косинусу угла  между этой осью и радиус-вектором. Следовательно, электронное облако имеет плотность, пропорциональную cos². Если изобразить такое облако на рисунке, то оно будет иметь форму восьмерки (точнее, тела, образованного вращением восьмерки вокруг продольной оси). Если такой рэлектрон «спаривается» с sэлектроном другого атома, то последний стремится «пристроиться» таким образом, чтобы перекрытие волновых функций было максимальным. Очевидно, что такая связь осуществляется в направлении вытянутости облака рэлектрона (рис. 6.4-2).

Электронное облако в состоянии т=0 «обволакивает» ось z, в двух других состояниях с проекциями т=+1 такие же облака вытянуты по осям х и у. Это помогает уяснить пространственное строение молекул различных веществ. Ниже мы приводим некоторые характерные примеры.

Вода Н₂0. Атом кислорода имеет две заполненные оболочки: 1s и 2s, на которых размещаются четыре электрона. Оставшиеся четыре валентных электрона находятся на оболочке 2р. Их электронные облака отталкиваются и стремятся расположиться подальше друг от друга: три облака вытягиваются по осям х, у, z, и четвертому деваться некуда. Скажем, оно располагается по оси z, причем электрон имеет противоположный спин по сравнению с другим электроном, облако которого также расположено вдоль этой оси. Образуются спаренные электроны, не участвующие в химической связи. Для химической связи остаются свободными два электрона  облака по осям х и у. Атомы водорода, подсоединяясь, как было сказано, образуют молекулу треугольной формы (рис. 6.5), причем угол  между направлениями на атомы водорода должен быть равен 90°.

Рис. 6.5. Расположение атомов в молекуле воды

Но частично «оголенные» протоны также отталкиваются, и этот угол несколько возрастает: его экспериментальное значение =105°. Это увеличение тем меньше, чем больше размер атома. Так, в аналогичном соединении H₂S атом серы больше атома кислорода, отталкивание протонов слабее и угол уменьшается до =93°. Еще больше атом селена, и в молекуле H₂Se атомы водорода расположены под углом =90°.

Аммиак NH₃. Атом азота имеет конфигурацию (1s)²(2s)²(2p)³. Как и в кислороде, четыре электрона, находящиеся в 1s и в 2s состояниях, попарно спарены и не участвуют в химической связи. Остаются три рэлектрона, и все три связи расположены по осям х, у, z. При подсоединении трех атомов водорода образуется правильная треугольная пирамида с атомом азота в вершине (см. рис. 6.6).

Рис. 6.6. Расположение атомов в молекуле аммиака

Из-за отталкивания протонов углы  при вершине чуть больше 90°. У похожего соединения, фосфина РН₃, угол ближе к прямому, а у AsH₃ =90°. Из объемности молекулы аммиака следует существование двух вырожденных состояний, отличающихся положением атома азота по ту или иную сторону от основания пирамиды. Однако вырождение снимается вследствие квантовомеханического туннелирования, что ведет к расщеплению вырожденных уровней. Переходы между ними приводят к излучению, которое сделало возможным создание аммиачного мазера.

Перекись водорода Н₂0₂. В случае, когда спариваются два рэлектрона, максимальное перекрытие получается, если их «восьмерки» ориентированы вдоль одной оси. Таким образом, соединяются два атома кислорода в молекуле перекиси водорода (рис. 6.7).

Рис. 6.7. Форма и расположение электронных облаков в молекуле перекиси водорода

К ним подсоединяются обычным способом атомы водорода, причем вследствие отталкивания атомы водорода подсоединяются к кислородным облакам вдоль разных осей, так что линия ОО и две линии ОН на рис. 6.7 все взаимно ортогональны (на самом деле валентный угол между ОО и ОН возрастает до 100°).

В некоторых молекулах связи между атомами осуществляются не одной, а двумя или тремя парами электронов (двойные или тройные связи). Пример тройной связи: молекула N₂, которую химики записывают в виде (черточка соответствует паре электронов). Тройная связь атома углерода имеет место в молекуле ацетилена: Двойная связь атома углерода в молекуле этилена: Квантовая механика объясняет эти и более сложные типы связей.