Зачем атомы связываются

Чтобы разорвать один моль связей H-H, нужно 436 кДж, поэтому два атома водорода гораздо устойчивее вместе, чем порознь.

Почти всё вокруг тебя состоит не из отдельных одиночных атомов. Воздух в основном состоит из молекул N₂ и O₂, вода является H₂O, а крупинка соли представляет собой блок из натрия и хлора, упакованных миллиардами. Одиночными атомами летают только благородные газы. Так что настоящий вопрос не в том, соединяются ли атомы, а в том, почему они это делают и почему одни сочетания возникают, а другие никогда.

Меньше энергия, больше устойчивость

Мяч на склоне скатывается вниз и остаётся в долине. С энергией атомы подчиняются тому же правилу. Когда два атома водорода сближаются, электрон каждого притягивается сразу к обоим ядрам. До определённого момента это притяжение сильнее отталкивания между двумя ядрами и между двумя электронами, и общая энергия падает. На расстоянии 74 пм энергия достигает минимума. Сдвинь ядра ближе, и победит отталкивание; разведи их, и придётся вернуть энергию. Эта долина и есть связь.

Глубина долины является энергией связи. Для водорода она составляет 436 кДж на каждый моль молекул, а это около 6 × 10²³ связей. Столько энергии нужно затратить, чтобы расщепить молекулы, и столько же выделяется, когда атомы соединяются. Топливо работает наоборот: когда водород горит, рвутся более слабые связи и образуются более прочные связи в воде, а разница выходит в виде тепла.

Как вообще можно измерить расстояние в 74 пм? Линейкой никто не пользуется. Молекулы вращаются и колеблются и поглощают свет только на определённых частотах, которые зависят от расстояния между атомами и жёсткости связи. Измерь эти частоты спектрометром, и длина связи и угол получатся из расчёта. База данных NIST Computational Chemistry Comparison and Benchmark Database собирает такие измеренные геометрии, и из неё взяты все длины связей и углы в 3D-моделях этого курса.

Закономерность заполненной оболочки

У химиков есть быстрый способ предсказать, какие связи образуются. Благородные газы с заполненными внешними оболочками почти не реагируют, значит, заполненная оболочка, похоже, является удобным состоянием. Многие атомы связываются так, чтобы у каждого была заполненная внешняя оболочка, обычно из 8 электронов, а у водорода из 2. Это называют правилом октета. Американский химик Г. Н. Льюис описал общую электронную пару в 1916 году, и его точечные схемы до сих пор используют, чтобы считать электроны в связях.

Есть три способа получить заполненную оболочку, и они дают три главных вида связи. Атом может передать электроны другому атому, и тогда возникают ионы, которые удерживает электрическое притяжение: ионная связь. Два атома могут делить пары электронов, так что каждый считает общие электроны своими: ковалентная связь. Или целая толпа атомов металла может объединить свои внешние электроны: металлическая связь. Что именно произойдёт, зависит главным образом от электроотрицательности, то есть от того, как сильно каждый атом тянет электроны.

Правило октета является подсказкой, а не законом. Бор в BF₃ остаётся всего с 6 внешними электронами, а у серы в SF₆ их 12. У переходных металлов свой счёт. Но для первых двадцати элементов и соединений углерода, азота и кислорода оно срабатывает удивительно часто, и начинать стоит именно с него.