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

Говорите как химик

Если вы хотите казаться настоящим химиком, то вычтите число 10 из номеров столбцов периодической таблицы. Большинство ученых ссылаются на группы 3, 4, 5, 6, 7 и 8 вместо столбцов 13, 14, 15, 16, 17 и 18 соответственно. Дело в том, что номер группы обозначает количество валентных электронов. Мы не используем это «правило» для столбцов 3–12, так как с элементами этих групп закономерность не всегда работает. Для столбцов 13–18 мы используем сокращенную запись, так как количество валентных электронов позволяет нам предсказать, как тот или иной атом будет вести себя в разных средах.

Например, водород стоит в первом столбце, значит, у него может быть только один валентный электрон. Точно такая же ситуация с литием, натрием и остальными элементами первой группы. Из этого мы можем сделать вывод, что все элементы первой группы будут вести себя одинаково в похожих средах и условиях. Важно отметить, что водород (и остальные элементы первой группы) любит отдавать свой электрон и становиться чрезвычайно реакционноспособным. Почему?

Логично предположить, что элемент с одним валентным электроном сделает все, чтобы сохранить этот электрон. Однако на самом деле ситуация обратная. Электрон отталкивается от ядра. Очень странно, правда?

Давайте рассмотрим это подробнее. Мы знаем, что ядро (ваша печень и почки) имеет положительный заряд; электроны (кофта и куртка) будут притягиваться к положительно заряженному ядру. Но если к атому присоединяются еще несколько электронов, то появляется вероятность, что электроны будут отталкиваться от ядра. Другими словами, ваша кофта буде отталкивать куртку. Следовательно, ядро не будет пытаться удержать один или два валентных электрона, наоборот: внутренняя оболочка начнет отталкивать валентные электроны на внешней (или ваша кофта начнет отталкивать куртку).

Именно поэтому атомы с двумя электронами чрезвычайно реакционноспособные. Они стабильнее элементов с одним электронов, однако свои валентные электроны отдают так же легко. Бериллий, магний, кальций и стронций являются прекрасными примерами элементов с двумя валентными электронами. Их электроны отталкиваются от ядра точно так же, как и электроны первой группы.

Углерод и кремний располагаются в четвертом столбце, так что у них по четыре валентных электрона. Следовательно, в одной и той же среде эти два элемента будут вести себя похоже. Так как химики уже знают, что углерод и кремний являются стабильными элементами, мы думаем, что любой элемент четвертой группы будет также стабилен – например, как германий, олово или свинец.

Менделеев оказался прав, когда думал, что будущие химики захотят предсказать, как элементы будут взаимодействовать друг с другом. Именно поэтому он создал периодическую таблицу такой, какой мы ее видим сейчас, – основанной на атомных массах и валентных электронах элементов. (Это также объясняет и то, почему форма таблицы напоминает чашу, а не прямоугольник. Свободное пространство в верхней части позволяет расположить элементы в соответствии с их физическими и химическими свойствами.)

Если вы будете двигаться вниз по столбцу периодической таблицы, то обнаружите, что атомы становятся все больше. По правде говоря, самые крупные атомы располагаются в нижнем левом углу, а самые маленькие – в верхнем правом.

Каждая строка – или период (отсюда и название таблицы) – это дополнительный «слой» электронов для определенного атома. По мере того, как вы перемещаетесь по строке (слева направо), атомы будут становиться все меньше и меньше. Кажется странным, да? Как гелий может быть меньше водорода?

По мере продвижения вправо каждый элемент получает дополнительный протон и электрон. Это означает, что положительный заряд увеличивается всякий раз, когда увеличивается атомный номер элемента. Чем больше положительный заряд, тем сильнее к ядру притягиваются валентные электроны.

Например, атомная масса водорода составляет +1. Так как он располагается в первой группе, то имеет один валентный электрон. Следовательно, заряд +1 ядра притягивается к заряду –1 электрона.

А теперь давайте сравним это с притяжением внутри атома гелия. Так как гелий располагается во второй группе, то у него имеется 2 протона и 2 электрона. Притяжение между зарядом ядра и зарядом электронов гелия намного сильнее, чем притяжение между зарядом ядра и зарядом электрона водорода. Это значит, что валентные электроны гелия притягиваются к ядру с большей силой. Следовательно, атомный радиус будет меньше атомного радиуса водорода.

Если мы посмотрим на отталкивание электронов и притяжение между протонами и электронами, то заметим некоторые закономерности. Существует простой способ, с помощью которого можно запомнить, как работают периоды и группы: многослойный франций (авторский термин. – Прим. науч. ред.). Франций является одним из самых больших атомов в периодической таблице, и он располагается в левом нижнем углу с атомным номером – 87. Он имеет 87 протонов, 87 электронов и около 136 нейтронов. Если бы франций был человеком, то на нем было бы ОЧЕНЬ МНОГО одежды.

С помощью таблицы вы также можете узнать, насколько легко «изменить» атом. Помните, что атомы могут терять или приобретать электроны; это сравнимо с тем, как человек снимает или надевает куртку, а в случае с большими элементами, например францием, человек снимает слой одежды.

Мы описываем готовность элемента отдать или получить электрон как сродство к электрону. Большинство элементов в верхнем правом углу, например фтор или кислород, имеют большое сродство к электрону. Это значит, что они всегда могут принять дополнительный электрон от соседнего атома, при этом фтор реакционноспособнее кислорода.

Что такое анион?

Атом, который получает или теряет электрон, мы называем ионом. Термин «анион» используется для обозначения атома, получившего один или несколько электронов, а термин «катион» для обозначения атома, потерявшего один или несколько электронов.

Анион всегда имеет отрицательный заряд, так как количество электронов у него превышает количество протонов. Кроме того, он больше нейтральных атомов. Если бы муж одолжил мне свой пуховик, в нем я казалась бы крупнее. Атом, получивший дополнительный электрон (который теперь называется анионом), станет крупнее. В качестве примера возьмем фтор. Атомы фтора всегда готовы принять один электрон, чтобы превратиться во фторид-ион ([F]-). В нейтральном состоянии фтор бесполезен для человеческого организма; однако, как только он превращается во фторид, то он сразу становится полезным макроэлементом. Например, с помощью фторида можно предотвратить развитие кариеса или стимулировать рост костей в организме. Трудно представить, что один крошечный электрон может иметь такое большое влияние на химические свойства атомов.

Термин «катион» используется для классификации атомов, потерявших один или несколько электронов. Вернемся к примеру с пуховиком моего мужа. Отдав его мне – отдав электрон, – он стал бы катионом. Катионы всегда обладают положительным зарядом, так как количество протонов в них превышает количество электронов. Катионы на вид меньше нейтральных атомов. То же самое произошло бы с моим мужем, если бы он отдал мне пуховик, – он бы визуально уменьшился.

В отличие от анионов, катионы располагаются в верхнем левом углу периодической системы, например литий и бериллий. У этих элементов имеется один или два валентных электрона, которые легко могут быть переданы другому атому. Именно поэтому такие элементы с большей вероятностью станут катионами, а не анионами.

Особенно это относится к элементам, расположенным в первой группе, например к литию. Чтобы стать катионом лития (Li+), его атому нужно отдать один электрон. Ионы катиона лития используются при лечении биполярного расстройства: с его помощью можно воздействовать на чувствительность мозга к дофамину. При этом нейтральный литий не оказывает никакого полезного воздействия на человеческий организм. И снова мы наблюдаем, как приобретение или утрата одного электрона может сильно изменить физические свойства атома.

Напоследок я хочу рассказать вам о восьмой группе (восемнадцатый столбец). Элементы в ней инертны или неактивны: они не хотят приобретать или отдавать электроны. Знаете, когда я думаю о таких элементах, как гелий или неон, сразу представляю человека, который решил провести субботний вечер дома в одиночестве, а не на шумной вечеринке. Все элементы этой группы (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) принято называть инертными газами, они очень редко вступают в химические реакции с другими элементами.

Периодическая таблица – это нечто большее, чем обычная шпаргалка. Посмотрев на нее, мы увидим открытия тысяч – или сотен тысяч – ученых по всему свету. С помощью таблицы можно делать множество удивительных вещей: проводить диагностики и исследования для выявления рака, изобретать полупроводники, которые потом будут работать в солнечных панелях… Даже литий-ионные батареи в вашем ноутбуке или телефоне – это результат взаимодействия элементов из периодической таблицы (батареи работают только из-за того, что электроны движутся внутри атомов и между ними). По правде говоря, чем лучше вы понимаете основную структуру атома, тем легче вам будет понять, как проходят электронно-протонные взаимодействия.

А теперь, когда мы разобрались, как устроен атом – протоны, нейтроны, электроны, – самое время увидеть, что же происходит, когда объединяются два атома разных элементов. И именно здесь химия становится очень интересной: знаете, притяжение между атомами похоже на свидание или встречу с другом. Будет ли их тянуть друг к другу? Как они отреагируют? Смогут ли они сформировать связь?

2. Все о форме. Атомы в пространстве

В предыдущей главе вы узнали, что атомы являются строительными блоками буквально всего во Вселенной. Но как эти блоки собираются вместе и формируют объекты? Например, компьютер? Или салатный соус? Или ледяное пиво?

С помощью электронов.

Если два или более атома соединяются, то образуется связь и происходит обмен или передача электронов. Связь могут иметь молекулы или сложные вещества. Отдельный атом никогда не станет молекулой или сложным веществом, потому что он всегда остается просто «атомом».

Но прежде чем мы перейдем к химическим реакциям, вам важно понять, что очень часто химики называют совокупность молекул «видом», «веществом» или даже «системой». Эти термины являются синонимами и обозначают одно и то же – совокупность молекул. Итак, когда я говорю о виде, вы должны понимать, что я имею в виду совокупность молекул. А когда я говорю о молекуле, то тут уже все и так понятно. Круто? Круто.

Сформированные между атомами связи увидеть очень легко, если понимать, что искать и куда смотреть: например, как соль растворяется в океане или как маска для лица «растворяет» комедоны. Атомы притягиваются друг к другу, и в этом они очень похожи на нас, людей! Так как протоны обладают положительным зарядом, а электроны – отрицательным, происходит нейтрализация (а это именно то, к чему стремятся все атомы).

Когда атомы находятся рядом друг с другом, они испытывают взаимное притяжение. Поскольку электроны располагаются снаружи атома, а протоны – внутри, то происходит два притяжения.

Пример: у нас есть два атома, атом А и атом В. Электроны атома А будут притягиваться к протонам атома В, а электроны атома В – к протонам атома А. Единственное, что может помешать электронам и протонам соединиться, так это то, что электроны двух атомов будут отталкивать друг друга.

Атомы могут не образовать связь, если они будут находиться слишком близко друг к другу. Если в кофейне о вас начнет тереться незнакомец, вы оттолкнете его, верно? Когда незнакомец вторгается в наше личное пространство, мы всегда стараемся создать дистанцию – нам просто будет так комфортнее. Иногда это означает, что нам нужно встать и уйти; у атомов этот процесс происходит точно так же. Если электроны одного атома находятся слишком близко к электронам другого, то они отталкиваются друг от друга и отдаляются на некоторое расстояние.

В конце концов, два атома могут находиться на идеальном расстоянии, при котором притяжение между электронами и протонами будет сильнее отторжения между двумя видами электронов. Проще говоря, притяжение между протоном и электроном достигнет своего максимума, а отторжение между электронами – минимума. Когда происходит такая ситуация, может образоваться связь.

Давайте представим, что вы и незнакомец из кофейни находитесь на комфортном расстоянии и заводите разговор. Если вас притягивает друг к другу, вы перейдете на следующую ступень: установление постоянной связи. Вероятно, вы встретитесь еще пару раз за чашечкой кофе или обменяетесь номерами телефонов. Но так как мы все-таки говорим о соединении атомов, то представим, что на следующей ступени они берутся за руки.

Когда атомы «берутся за руки», они образуют связь. По сути, связь в химии – это соглашение между двумя атомами. Теперь они будут всегда вместе, до тех пор, пока не появится более привлекательный атом. Представим, что я держусь за руки с прекрасным незнакомцем, и я буду делать это до тех пор, пока в помещение не войдет Райан Рейнольдс. Тогда я отпускаю руку того прекрасного незнакомца и бросаю его, чтобы установить «лучшую» связь. То же самое происходит с атомами.

Но есть небольшое различие. Я могла бы уйти в закат с Райаном Рейнольдсом и быть той же самой Кейт, которая недавно вошла в кофейню, и той же девушкой, которая держала за руку незнакомца. Ни Райан, ни незнакомец не забрали мою руку или ногу, верно? К сожалению, у атомов А и В не всегда все проходит так мирно.

В отличие от меня и незнакомца, когда два атома решают соединиться друг с другом, они перестают существовать как два отдельных, независимых атома. Когда они образуют связь, сразу же происходит обмен электронами. Поэтому иногда после распада связи атом А может иметь один или два электрона атома В.

Но когда атомы остаются вместе, мы стараемся проанализировать, насколько равномерно электроны распределяются между ними. И чтобы сделать это, нам нужно изучить характер атома, исследовать его состав. Самый простой способ сделать это – классифицировать атом как металл или неметалл. К счастью, отличить два этих типа друг от друга очень просто как в лаборатории, так и в обычной жизни.

Для начала, если металлы очистить, то они очень красивые. Металлы, например золото, кобальт или платина, блестят: они обладают способностью отражать падающий на них свет. К тому же большинство металлов имеют свойства ковкости и пластичности, благодаря чему они идеальны для изготовления ювелирных украшений. (Мы используем эти термины для описания металла, форму которого можно изменять.) Металлы также обладают высокой теплопроводностью, о чем вы, скорее всего, уже знаете: вы обожжетесь, если прикоснетесь к горячей кастрюле на плите. А кроме того, высокой электропроводностью. Это означает, что электроны большинства металлов могут перемещаться между металлами практически без сопротивления. Именно поэтому стоять во время грозы с зонтом – не самая лучшая идея. Металл, из которого обычно делается ручка (а также верхняя часть зонта), притягивает к себе молнию. А так как металлы хорошо проводят электрический ток, то именно из-за электронов люди умирают от удара током. С другой стороны, мы очень часто пользуемся этим свойством металлов, например, когда делаем аккумуляторы для телефонов.

Металлы с легкостью отдают свои электроны другим атомам, но при этом они редко образуют связи, в которых им нужно принимать чужие электроны. Металлы очень похожи на Санта-Клауса: он очень любит дарить подарки, но не любит их получать! (К сожалению, у атомов нет эквивалентов молока и печенья.) При объединении с другим металлом они должны принять чужой электрон; поэтому они стараются избегать подобных связей.

Элементы из группы неметаллов не отражают свет, непластичны и не обладают ковкостью. Термин «ковкость» используется в том случае, если вещество (обычно это металл) можно вытянуть в тонкую проволоку. Но что определяет неметаллы? Ну, они не являются металлами. (Да-да, я знаю, что это очевидно.) Большинство твердых неметаллов не блестят. Газообразные неметаллы в основном бесцветны, а это значит, что мы даже не можем увидеть эти элементы или сделать из них украшения.

Что вам еще нужно знать о неметаллах? Они обладают плохой тепло- и электропроводностью. Электроны с трудом двигаются в подобных элементах, так что многие из неметаллов инертны. (Вот почему все инертные газы, о которых я рассказала вам в прошлой главе, не вступают в химические реакции.) Проще говоря, их электроны не могут переходить от одного атома к другому так же легко, как у металлов.

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 не достигнут моих плеч. Тогда они останутся в моем теле до тех пор, пока связь не разрушится. В момент разрушения связи эти электроны могут либо покинуть мое тело, либо остаться со мной навсегда.

Давайте рассмотрим такое взаимодействие в реальности. Когда между углеродом и фтором образуется связь (C – F), ученые первым делом смотрят в периодическую таблицу. Очень важно определить, какой атом будет более электроотрицательным. (В данном случае более электроотрицательным будет фтор.) Из этого мы понимаем, что валентные электроны углерода переместятся к фтору через образованную ковалентную связь.

Так как электроны с большей электроотрицательностью забирают большую часть электронов в связи, очень часто им присваивается символ «частичного» негативного заряда (δ—). Электроотрицательный электрон притягивает электроны, поэтому обладает частично негативным зарядом. Как вы уже понимаете, электроположительный атом, только что потерявший часть своих электронов, будет иметь частично положительный заряд (δ+). Слово «частично» указывает на то, что электроны не до конца распределились между атомами – обычно это происходит в ковалентных связях («руки» атомов).

Все это прямо противоположно связям, образующимся между металлами и неметаллами. Связь металл – неметалл возникает точно так же, как и ковалентная: атомы находятся достаточно близко друг к другу и между ними появляется притяжение. Но, в отличие от ковалентных связей, такой тип связи образуется только в том случае, если электроны передаются от одного атома к другому. А точнее, когда металл передает свой электрон неметаллу. В момент передачи образуется ионная связь.

Очень важно понимать, что при образовании ионной связи атомы не имеют общих электронов. Они передают свои электроны, из-за чего образуется положительный ион металла и отрицательный ион неметалла (в отличие от частичных зарядов в ковалентных связях). Всегда помните, что противоположности притягиваются, из-за чего катион металла будет невероятно сильно тянуться к аниону неметалла.

Если ковалентную связь можно сравнить с двумя людьми, состоящими в здоровых отношениях, где любовь дают и принимают, то ионную связь можно сравнить с отношениями, где один только дает, а другой – только забирает. Ионная связь является односторонней, так как катион (с меньшим количеством электронов) всегда отдает, а анион (с бо́льшим количеством электронов) всегда принимает.

Как и ковалентные, ионные связи постоянно вокруг нас. Например, столовая соль образована с помощью ионной связи между атомом натрия и атомом хлора. Когда натрий (металл) отдает свой электрон хлору (неметалл), атом хлора становится анионом, а атом натрия – катионом. В столовой соли хлор – это «принимающий» партнер, а натрий – «отдающий».

Теперь, когда вы понимаете основы образования ковалентных и ионных связей, давайте перейдем к более интересным вещам.

Секретная формула

Для записи атомов в молекуле мы используем молекулярные формулы. Есть два типа формулы: структурная и сокращенная. Большинство людей знакомы с сокращенной молекулярной формулой, из которой понятно, какие атомы находятся в молекуле и в каком соотношении.

Давайте поговорим о H₂O. Вода имеет два атома водорода и один атом кислорода, поэтому ее сокращенной молекулярной формулой будет H₂O. Индекс два после водорода указывает на то, что вода состоит из двух атомов водорода. В сокращенных молекулярных формулах индекс всегда пишется после атома, к которому он относится.

Однако из сокращенной молекулярной формулы непонятно, какие связи образованы внутри молекулы. Если вы посмотрите на молекулярную формулу H₂O, то можете (неверно) предположить, что молекула выглядит вот так: H – H – O. Может показаться, что два атома водорода связаны друг с другом; однако на самом деле молекула воды образуется в том случае, когда каждый атом водорода связан с атомом кислорода, и выглядит вот так: H – O – H. Вы не можете просто посмотреть на H₂O и сразу же определить, как связаны между собой атомы водорода и кислорода (конечно, если вы не сильны в химии).

Мы, химики, используем формулу другого типа – структурную молекулярную, чтобы обозначить расположение атомов в молекуле. Так как каждый атом водорода связан с атомом кислорода, его структурная формула выглядит вот так: HOH. Из этой формулы понятно, что водород А связан с атомом кислорода, который также связан с водородом В: H – O – H. Но как понять, какую формулу нужно использовать? Это зависит от обстоятельств.

Химики предпочитают структурные формулы, поскольку из них можно извлечь больше полезной информации. Однако при работе с молекулой, содержащей громадное количество атомов, нет смысла составлять структурную формулу, ведь она получится длинной, сложной и неудобной. Следовательно, самым распространенным способом записи молекулы будет сокращенная молекулярная формула.

Помните, я как-то говорила, что в двойных и тройных связях расстояние между атомами должно быть небольшим? Все из-за того, что молекулы имеют уникальную форму. Возможно, вы удивитесь, если я скажу, что форма молекулы не определяется атомами, из которых она образована. На самом деле ее форма зависит от того, чем одержимы все химики. От электронов.

Еще в 1950-х годах два химика, Рональд Гиллеспи и Рональд Синдей Найхолм, заметили некоторые закономерности в форме молекул. Неудивительно, что они быстро определили зависимость формы молекулы от расположения электронов в пространстве, а не от идентификации атомов. В 1957 году Гиллеспи и Найхолм опубликовали теорию ОЭПВО (теория отталкивания электронных пар валентной оболочки), благодаря которой можно было с точностью предсказать геометрическую форму любой молекулы, зная количество и расположение электронов.

Например, мы знаем, что молекула с двумя атомами имеет линейную форму. Не существует другого способа объединения двух атомов с помощью одной связи. Все молекулы с двумя атомами будут иметь линейную форму, вне зависимости от того, из каких атомов они состоят.

Угарный газ – это классический пример двухатомной молекулы. Углерод и кислород создают тройную связь между своими атомами, а поскольку атомов всего лишь два, молекула имеет линейную форму. Однако этот прозрачный, не имеющий запаха газ очень опасен для человека, а также легко воспламеняется. Когда вы вдыхаете угарный газ, его крошечная молекула связывается с гемоглобином в вашей крови и заменяет собой молекулы кислорода. Вот поэтому большое количество «тихого убийцы» может быть смертельным.

Благодаря экспериментам Гиллеспи и Найхолм смогли «подогнать» теорию ОЭПВО под молекулы с любым количеством атомов. Основную идею, на которой строится эта теория, вы уже поняли: одни электроны всегда будут отталкивать другие.