Електрони в молекулі водню
Чи замислювалися Ви колись, які сили утримують молекулу речовини від розпаду на атоми? Сьогодні відомо, що ці сили називають хімічними і мають електромагнітну природу. У загальних рисах хімічний зв'язок можна пояснити як результат колективізації зовнішніх - валентних електронів атомів. При певних відстанях між ядрами колективізовані, наприклад електрони в молекулі водню, проходячи між ядрами, зменшують відштовхування останніх. На великих відстанях колективізації немає.
Розглянемо найпростішу молекулу водню Н2. Електрони в молекулі водню поводяться так, ніби кожен електрон проводив частину часу біля одного ядра, а частину біля іншого. Саме тому сили, що виникають при цьому, називаються часто обмінними. Тобто електрони в молекулі водню стали належати вже двом ядрам одночасно. При цьому, індивідуальність атомів водню розчинилася при їх злитті в нову систему - в молекулу водню, в якій тепер знаходиться два протони і два електрони.
У кухонної солі, наприклад, загальними є 8 валентних електронів. Один з них взятий у натрію, і 7 - у хлору. Так як залишковий заряд хлору більше, ніж натрію, то всі колективізовані електрони сильно зрушені до ядра хлору і узагальнення виглядає скоріше як "захоплення електрона". Останній стає, грубо кажучи, позитивним іоном, а перший – негативним, і хімічний зв'язок зводиться до притягування різноіменних зарядів.
Тоді що визначає валентність атома? Для пояснення цього розглянемо, що буде, якщо, наприклад, стрілець стріляє з гвинтівки в ціль, яка може вільно обертатися навколо цвяха, вбитого в "десятку". Потрапивши в ціль, куля змусить її обертатися: момент кулі розподілиться між кулею і мішенню.
Нехай тепер ціль обстрілюється електронами чи іншими елементарними частинками. Якщо всі вони "закручені" в один бік, то, поглинувши їх, ціль закрутиться. Обертання буде тим інтенсивнішим, чим більше спін частинок. Електрон, наприклад, може бути "закручений" тільки двома способами: "обертання" електрона утворює або правий, або лівий гвинт з напрямком його руху. Тому, якщо спін одного електрона спрямований певним чином, то спін іншого або паралельний йому, або антипаралельний.
При утворенні молекул все залежить від напрямку спінів. Так, хімічний зв'язок у молекулі водню виникає лише тоді, коли колективізовані електрони в молекулі водню мають протилежно спрямовані спіни. Все тому, що при антипаралельних спінах електрони проводять порівняно великий час між ядрами, тому середня густина негативного заряду виявляється достатньою для врівноваження відштовхування ядер. При паралельних спінах ця густина мала, і ядра відштовхуються!
Але чому б трьом електронам не зв'язати одразу три ядра? Виявляється, квантова механіка накладає на рух електронів спеціальну заборону. Вона називається принципом Паулі. Два електрони, згідно з цим принципом, не можуть бути в тому самому стані. Електрони в молекулі водню можуть відрізнятись лише орієнтацією спінів. А можливі лише дві орієнтації. І третій електрон тут зайвий.
