Электроны в молекуле водорода

Задумывались ли Вы когда-нибудь, какие силы удерживают молекулу вещества от распада на атомы? Сегодня известно, что эти силы называют химическими, и они имеют электромагнитную природу. В общих чертах химическую связь можно объяснить как результат коллективизации внешних – валентных электронов соединяющихся атомов. При определенных расстояниях между ядрами коллективизированные, например, электроны в молекуле водорода, проходя между ядрами, уменьшают отталкивание последних. На больших расстояниях коллективизация не возникает.

Рассмотрим простейшую молекулу водорода Н₂. Электроны в молекуле водорода ведут себя так, как если бы каждый электрон проводил часть времени возле одного ядра, а часть возле другого. Именно поэтому возникающие при этом силы называются часто обменными. То есть, электроны в молекуле водорода стали принадлежать уже двум ядрам одновременно. При этом, индивидуальность атомов водорода растворилась при их слиянии в новую систему – в молекулу водорода, в которой теперь находится два протона и два электрона.

У поваренной соли, например, общими являются 8 валентных электронов. Один из них взят у натрия, и 7 – у хлора. Так как остаточный заряд хлора больше, чем натрия, то все коллективизированные электроны сильно сдвинуты к ядру хлора и обобществление выглядит скорое как захват электрона более "сильным" атомом у более "слабого". Последний становится, грубо говоря, положительным ионом, а первый – отрицательным, и химическая связь сводится к притяжению разноименных зарядов.

Тогда что же определяет валентность атома? Для объяснения этого рассмотрим, что будет, если, например, стрелок стреляет из винтовки в мишень, которая может свободно вращаться вокруг гвоздя, вбитого в "десятку". Попавши в мишень, пуля заставит ее вращаться: вращательный момент пули распределится между пулей и мишенью.

Пусть теперь мишень обстреливается электронами или другими элементарными частицами. Если все они "закручены" в одну сторону, то, поглотив их, мишень завертится. Вращение будет тем интенсивнее, чем больше спин частиц. Электрон, например, может быть "закручен" только двумя способами: "вращение" электрона образует либо правый, либо левый винт с направлением его движения. Поэтому, если спин одного электрона направлен определенным образом, то спин другого, либо параллелен ему, либо антипараллелен.

При образовании молекул все как раз и зависит от направления спинов. Так, химическая связь в молекуле водорода возникает только тогда, когда коллективизируемые электроны в молекуле водорода имеют противоположно направленные спины. Все потому, что при антипараллельных спинах электроны проводят сравнительно большое время между ядрами, так что средняя плотность отрицательного заряда оказывается достаточной для уравновешивания отталкивания ядер. При параллельных же спинах эта плотность мала, и ядра расталкиваются!

Но почему бы трем электронам не связать сразу три ядра? Оказывается, квантовая механика накладывает на движение электронов особый запрет. Он называется принципом Паули. Два электрона, согласно этому принципу, не могут быть в одном и том же состоянии. Электроны в молекуле водорода могут отличаться только ориентацией спинов. А возможны лишь две ориентации. И третий электрон здесь излишний.