Чтобы понять, каков образ молекулы воды (Н2О) проанализируем (опираясь на схему полярных атомов) известную закономерность, согласно которой каждый из элементов 2 периода способен соединиться лишь с определенным количеством атомов водорода (Н):
- – атом лития (Li; 1s2, 2s1) – с 1 атомом водорода (Н; 1s1),
- – атом бериллия (Be; 1s2, 2s2) – с 2 атомами водорода (Н; 1s1),
- – атом бора (В; 1s2, 2s2, 2р1) – с 3 атомами водорода (Н; 1s1),
- – атом углерода (С; 1s2, 2s2, 2р2) – с 4 атомами водорода (Н; 1s1),
- – атом азота (N; 1s2, 2s2, 2р3) – с 3 атомами водорода (Н; 1s1),
- – атом кислорода (О; 1s2, 2s2, 2р4) – с 2 атомами водорода (Н; 1s1),
- – атом фтора (F; 1s2, 2s2, 2р5) – с 1 атомом водорода (Н; 1s1),
- – атом неона (Ne; 1s2, 2s2, 2р6) вообще не способен соединяться с атом Н.
Рассмотрим схему взаимодействия элементов 2 периода с атомами водорода более детально...
Соединение атома лития (Li; 1s2, 2s1) с единственным атомом водорода (Н; 1s1) происходит посредством 2s-электрона.
Атом бериллия (Be; 1s2, 2s2) соединяется с двумя атомами водорода (Н; 1s1) посредством 2s-электронов.
Атом бора (В; 1s2, 2s2, 2р1) способен соединиться с 3-мя атомами водорода (Н; 1s1). Это происходит за счет появления у бора дейтронной р-орбитали и соответствующего р-электрона на 2 электронной орбите.
У атома углерода (С; 1s2, 2s2, 2р2) на верхней и нижней р-орбитах располагаются две дейтронные р-орбитали, которым соответствуют два р-электрона на 2 электронной орбите. Связь атома углерода с 4-мя атомами водорода (Н; 1s1) происходит посредством двух s-электронов (2s2) и двух р-электронов (2р2).
А вот у атомов следующих четырех элементов (азота, кислорода, фтора и неона) способность к образованию химических связей с атомами водорода (Н) начинает уменьшаться. Так, к атому азота (N; 1s2, 2s2, 2р3) смогут присоединиться лишь 3 атома водорода (Н).
Чтобы выяснить причину, сравним схемы ядер азота и углерода…
Верхняя часть ядер у обоих элементов одинаковая. Значит, азот (как и углерод) будет взаимодействовать с 2-мя атомами водорода (посредством 2s-электрона и 2р-электрона).
А вот нижняя часть ядер азота и углерода друг от друга отличаются. На схеме показано, что у азота имеется вторая дейтронная р-орбиталь, а на электронной р-орбите второй 2р-электрон. И эти два р-электрона атома азота по какой-то причине «не захотят» вступать во взаимодействие с s-электронами атомов водорода. В результате в нижней части атома азота валентным окажется лишь s-электрон. (В очередной раз напомним, понятия «низ и верх» для атома – условные и используются для наглядности).
Подобная история произойдет и с атомом кислорода (О; 1s2, 2s2, 2р4), который, согласно выявленной закономерности, способен соединиться лишь с 2-мя атомами водорода (Н; 1s1). В ядре атома кислорода четыре дейтронные р-орбитали (по две на верхней и нижней ядерной р-орбитах). Им соответствуют четыре 2р-электрона, которые все окажутся «домоседами». То есть соединение атома кислорода с двумя атомами водорода (1s1) будет осуществляться посредством двух 2s-электронов.
К атому фтора (F; 1s2, 2s2, 2р5) способен присоединится лишь 1 атом водорода. Судя по тому, что у F количество р-орбиталей на нижней ядерной р-орбите возросло до трех и столько же на второй электронной орбите появилось р-электронов, это и стало причиной, что в этой области ядра ни р-электроны, ни s-электрон оказалась совершенно невосприимчивы к s-электронам атомов водорода. Во взаимодействие с атомом водорода вступит лишь верхний 2s-электрон атома фтора.
В атоме неона (Ne; 1s2, 2s2, 2р6) три нижние и три верхние дейтронные и электронные р-орбитали полностью сформированы. Такой атом становится самодостаточным, не «желающим» взаимодействовать не только с атомом водорода, но и вообще с какими-либо атомами…
Уникальность атома кислорода О; 1s2, 2s2, 2р4.
Как неоднократно отмечалось, стабильность атома напрямую связана с конструкцией его ядра. Чем более симметричным оно является, тем большей стабильностью обладает атом.
Из всех элементов 2 периода, способных взаимодействовать с водородом, самым симметричным (а значит, самым стабильным) является атом кислорода (О; 1s2, 2s2, 2р4) Не случайно у него три стабильных изотопа: 16О; 17О; 18О.
Устойчивую симметрию атому кислорода обеспечивают два фактора:
– четыре дейтронные р-орбитали (две на верхней и две на нижней ядерных р-орбитах);
– наличие между двумя р-орбиталями, расположенными на одной р-орбите, определенного угла, параметры которого, предположительно, лежат в диапазоне: 104о– 106о.
Атом кислорода образно можно представить в виде этакой «рыбки», у которой роль плавников выполняют 4 дейтронные р-орбитали, способные перемещаться по верхней и нижней р-орбитам. С одной стороны это свойство р-орбиталей вызывает некоторое изменение конфигурации ядра, но с другой стороны, р-орбитали являются, своего рода «гироскопические крыльями», придающими атому кислорода (О) исключительную стабильность. То есть в зависимости от «внешних условий» угол между р-орбиталями устанавливается автоматически и, тем самым, обеспечивается симметрия атома.
О способности р-орбиталей перемещаться по р-орбитам см. Полярная модель атомов. Доказательства. Уникальность р-элементов 2 периода.
Как можно понять, атом кислорода жесткой конструкцией не является. Но на стабильности атома это не отразится, так как р-орбитали, меняя свое положение, способны симметрию атома постоянно поддерживать…
Молекула воды
Как мы выяснили, в молекуле воды (Н2О), связь между атомами кислорода (О) и водорода (Н) осуществляется посредством s-электронов. Угол между связями О и Н равен 180°.То есть Н2О – структура линейная.
Так как в молекуле Н2О атом кислорода склонен к некоторой деформации, то пространство, заполненное молекулами Н2О, становится «зыбкой структурой», чутко реагирующей на «внешние факторы».
Напомним, что в древних мифах «водою» именуется первоначальный хаос космических элементов. А это означает, что структура воды в своей основе лишена порядка, и представляет собой хаос из молекул, а способность молекул воды соединяться водородными связями, образуя цепочки, непрочна. Они постоянно рвутся и восстанавливаются…
Но из тех же древних мифов следует, что водный хаос можно упорядочить. А это означает, что молекулам воды не чужда преобразовательная динамика. Вспомним, как при помешивании ложкой вода в стакане превращается в «водоворот»…
Об уникальных свойствах воды, которые издревле ей приписываются, и которые, без сомнения имеют место быть, сказано немало. Однако, касаться этой темы не будем, поскольку наша задача – исходя из модели полярного атома, рассказать, какой же в действительности является соединение Н2О, ставшее основой биологической жизни на нашей планете.
© А. Селас. Август 2021