Як окремі атоми об’єднуються й утворюють молекули? На прикладах H₂, O₂, H₂O, NH₃, CH₄, CO₂ та CO розбираємо, як електронна будова, хімічні зв’язки й валентність визначають склад і будову молекул.
Навколо нас — неймовірна кількість різних речовин. Вода, кисень, вуглекислий газ, метан, аміак — усі вони складаються з атомів.
Але окремий атом кисню ще не є молекулою кисню, а окремі атоми водню й кисню — ще не вода.
Як з окремих атомів утворюються молекули
Ми вже докладно розбирали ковалентний зв’язок, тому зараз лише нагадаємо головне. Коли атоми зближуються, між їхніми ядрами та електронами виникають взаємодії. За певної відстані між ядрами може утворитися стан, енергія якого нижча, ніж у окремих атомів. Так виникає стійкий хімічний зв’язок і може утворитися молекула.
Тому молекула — це не просто кілька атомів, які випадково опинилися поруч. Це зв’язана система атомів із певною електронною будовою, енергією та просторовою геометрією.
А тепер спробуємо буквально «зібрати» кілька знайомих молекул і подивитися, чому вони мають саме такі формули.
Молекула водню
Почнемо з найпростішої — водню H₂.
Атом водню має лише один електрон. На першому енергетичному рівні максимально можуть розміщуватися два.
Коли два атоми водню зближуються, кожен із них бере участь в утворенні спільної електронної пари. Виникає один ковалентний зв’язок:
H—H
Так утворюється молекула H₂.
Зверніть увагу: маленька двійка у формулі означає, що молекула складається з двох атомів водню.
Атом Оксигену та молекула кисню
Тепер візьмемо кисень.
Атом кисню має шість електронів на зовнішньому рівні. У молекулі O₂ два атоми кисню утворюють дві спільні електронні пари — між ними виникає подвійний ковалентний зв’язок:
O=O
Тому кожен атом кисню тут утворює два зв’язки, тобто має валентність II.
Так утворюється молекула O₂ — саме того газу, яким ми дихаємо.
Молекула води
А тепер візьмемо водень і кисень.
У молекулі води атом кисню утворює два ковалентні зв’язки, а кожен атом водню — один. Тому отримуємо:
H—O—H
тобто H₂O.
Саме це ми описуємо за допомогою валентності: водень у воді одновалентний, а кисень — двовалентний.
Але тут з’являється дуже важлива деталь. Формула H₂O говорить нам, скільки атомів входить до складу молекули, але не показує її справжню форму. Насправді молекула води зігнута: кут між напрямками зв’язків O—H становить приблизно 104,5°.
Причина пов’язана з розташуванням електронних пар навколо атома кисню. Чому саме так — окремо розберемо, коли говоритимемо про геометрію молекул.
Молекула аміаку
Розглянемо молекулу аміаку. У якій атом азоту утворює три ковалентні зв’язки, а кожен атом водню — один. Тому один атом азоту зв’язується з трьома атомами водню:
NH₃
Так утворюється молекула аміаку, яка має тригонально-пірамідальну форму: атом азоту розташований біля вершини, а три атоми водню утворюють основу такої умовної піраміди.
Тепер візьмемо один із найважливіших елементів у природі — вуглець.
Молекула метану
У молекулі метану атом вуглецю утворює чотири ковалентні зв’язки. Кожен атом водню утворює один. Тому один атом вуглецю зв’язаний із чотирма атомами водню:
CH₄
Це метан.
І тут просторова будова ще цікавіша. Чотири зв’язки навколо атома вуглецю орієнтуються у просторі так, що молекула набуває тетраедричної форми.
Молекули чадного та вуглекислого газу
Тепер розглянемо молекулу вуглекислого газу CO₂.
У цій молекулі атом вуглецю утворює з двома атомами кисню по подвійному зв’язку:
O=C=O
Отримуємо CO₂.
І на відміну від води ця молекула справді лінійна. Атом вуглецю розташований посередині, а два атоми кисню — по різні боки від нього.
Отже, однакова кількість зв’язків навколо центрального атома ще не означає однакової форми молекул. Реальна геометрія залежить від розташування електронів і електронних пар.
Але тут виникає дуже цікаве питання.
Ми щойно отримали CO₂. Чи означає це, що вуглець і кисень можуть утворити лише одну сполуку з такою формулою?
Ні.
Існує ще одна добре відома речовина — чадний газ CO, або монооксид вуглецю.
Його молекула складається лише з двох атомів: одного атома вуглецю та одного атома кисню. І на відміну від гідроксильного радикала •OH, про який ми говорили раніше, CO — цілком стійка молекула.
Чадний газ може утворюватися, наприклад, під час неповного згоряння палива, коли кисню недостатньо, і він надзвичайно небезпечний для людини.
Підсумки
Тепер подивімося на наші основні приклади разом:
H₂ — H—H
O₂ — O=O
H₂O — H—O—H
NH₃ — один N і три H
CH₄ — один C і чотири H
CO₂ — O=C=O
І додатково ми побачили CO — ще одну сполуку вуглецю з киснем, але вже зі співвідношенням атомів один до одного.
Зовні здається, що ми просто переставляємо кілька різних атомів. Але щоразу отримуємо зовсім іншу речовину з іншими властивостями.
Два атоми водню — горючий газ.
Два атоми кисню — газ, необхідний для нашого дихання і підтримання горіння.
Два атоми водню та один кисню — вода.
Азот із трьома атомами водню — аміак із характерним різким запахом.
Вуглець із чотирма атомами водню — горючий метан.
Вуглець із двома атомами кисню — вуглекислий газ.
А вуглець із одним атомом кисню — отруйний чадний газ.
Тобто властивості речовини визначаються не просто тим, які атоми ми взяли. Важливо, скільки їх, як вони з’єднані, яка електронна будова утвореної системи та як атоми розташовані у просторі.
І саме тому хімічна формула — це значно більше, ніж набір букв і маленьких цифр.
Для молекулярної речовини вона повідомляє нам, з яких елементів складається молекула і скільки атомів кожного елемента до неї входить. А структурна формула показує ще більше — які атоми безпосередньо зв’язані між собою та скільки зв’язків між ними утворено.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Шкільна хімія“.