Молекулы и химические связи: соберите молекулу в 3D

Делиться — значит связываться

Атомы соединяются, потому что так их энергия становится меньше. Проще всего соединиться, поделившись. У каждого атома водорода один электрон, и ему не хватает второго, чтобы заполнить первую оболочку. Два атома водорода сближаются и делят пару электронов, общую для обоих. Эта общая пара — ковалентная связь, она рисуется одной чертой: H–H. Получается молекула водорода H₂, в которой оба атома считают свою оболочку полной. На картине сблизьте два атома: электронные облака притянут их, а при слишком тесном сближении оттолкнут. Точка равновесия, примерно 74 пикометра между ядрами, — это длина связи.

Вода согнута

Кислороду не хватает двух электронов, а каждому водороду — одного, поэтому один кислород делится с двумя водородами: H₂O. Кроме того, у кислорода есть две неподелённые пары электронов, и они сдвигают две связи O–H ближе друг к другу. В итоге молекула согнута: угол 104,5°, а не прямая линия. Кислород тянет общие электроны сильнее водорода, поэтому конец с кислородом слегка отрицателен, а концы с водородом слегка положительны. Из-за такого перекоса заряда молекулы воды липнут друг к другу, и поэтому вода растворяет так много веществ. Поверните модель на картине и прочитайте угол.

Углекислый газ прямой

Углероду не хватает четырёх электронов, кислороду — двух. В CO₂ атом углерода делит с каждым кислородом по две пары — это двойная связь, её пишут O=C=O. Посчитайте: у углерода 4 связи, у каждого кислорода по 2, так что все валентности использованы. У углерода нет неподелённых пар, которые бы теснили связи, поэтому две двойные связи направлены в противоположные стороны, и молекула прямая, 180°. Каждый кислород тянет электроны одинаково сильно в противоположные стороны, так что перекоса заряда нет совсем. Это газ, который вы выдыхаете и который поглощают растения. Сравните с водой на картине: в обеих есть кислород, но форма и поведение разные.

Метан и этанол

Метан CH₄ — это один углерод с четырьмя одинарными связями с водородом. Четыре связи расходятся как можно дальше друг от друга, к вершинам тетраэдра, с углами 109,5°. Метан — основная часть природного газа. Этанол C₂H₆O устроен так же, только в виде цепочки: два соединённых углерода, каждый дополнен водородами до четырёх связей, а на конце — гидроксильная группа –OH; пишут CH₃CH₂OH. Те же атомы в другом порядке дают иное вещество — диметиловый эфир CH₃OCH₃. Значит, молекула — это не просто список атомов. Это список плюс форма.

В соли нет молекул

Поваренная соль устроена иначе. Натрий отдаёт свой одинокий внешний электрон хлору, у которого на внешней оболочке не хватает одного. Натрий становится положительным ионом Na⁺, а хлор — отрицательным ионом Cl⁻. Противоположные заряды притягиваются, и каждый ион оказывается окружён шестью ионами другого знака в кубической решётке, повторяющейся во все стороны. Отдельной молекулы NaCl нет, есть только формула — отношение 1 : 1. Это ионная связь. Сильное притяжение во всех направлениях делает кристаллы соли твёрдыми и тугоплавкими: плавятся они при 801 °C. Повращайте кристалл на картине и сосчитайте соседей вокруг одного иона.

Соберите молекулу

Пора собрать молекулу самим. Под картиной выберите атомы углерода, водорода, кислорода и азота и соедините их. Каждому атому нужно строго определённое число связей — его валентность: у углерода 4, у азота 3, у кислорода 2, у водорода 1. Молекула готова, когда у каждого атома все связи заняты. Пример: один азот и три водорода дают NH₃ — аммиак, потому что 3 связи азота встречаются с тремя одинарными связями водородов. Если песочница знает вашу молекулу, она назовёт её: например, вода, метан, углекислый газ, этанол или аммиак. Иначе она покажет формулу и подскажет, какие связи ещё свободны.

Молекулы и связи