Химическая связь

Лангмюр кончил университет в то время, когда Дж. Дж. Томсон описывал атомы как сферы, в которых электроны покоятся, словно изюминки в пудинге. Сфера имела положительный заряд, электроны - отрицательный. Каждый элемент отличался определенным количеством электронов в атоме. Атом водорода имеет один электрон, гелия - два, лития - три и т. д. Только за несколько десятилетий до этого великий русский ученый Менделеев расположил известные элементы в определенной последовательности, назвав ее периодической системой. Томсон сумел сконструировать свой "пудинг с изюмом" - модель атома, соответствующую системе Менделеева. Но модель Томсона не объясняла ни радиации, ни химической активности.

В 1911 году, через два года после того, как Лангмюр начал работу в "Дженерал Электрик", Эрнест Резерфорд поставил в Кембридже важный эксперимент.

Он бомбардировал металлическую фольгу альфа-частицами, излучаемыми щепоткой радия.

Если модель Томсона была верной, мельчайшие альфа-частицы должны были бы проникать прямо сквозь неплотные атомы, из которых состояла фольга, за исключением тех частиц, которые поглощались фольгой. К удивлению Резерфорда, некоторые альфа-частицы резко изменяли направление, как бы ударяясь и отскакивая от каких-то твердых предметов в фольге.

Резерфорд тогда предположил, что положительный заряд атома не распределен в сфере, как думал Томсон, а находится в очень маленьких, но плотных концентрациях в центре каждого атома. По мнению Резерфорда, эти "ядра" должны были иметь одну миллионную миллионной части сантиметра в диаметре.

Нильс Бор развил теорию Резерфорда, предположив, что электроны находятся в постоянном движении, вращаясь по определенным орбитам вокруг положительно заряженного ядра, как планеты вокруг Солнца.

Электроны могут внезапно перескакивать с одной орбиты на другую и испускать излучение.

В то время как модель атома Бора - Резерфорда, казалось, объясняла физику многое, Лангмюр в 1919 году знал, что она не ответила еще на вопросы химика.

Молекула состоит из атомов, находящихся в химическом соединении, но атомы стремятся входить только в определенные соединения. Атом углерода может соединиться только с четырьмя атомами водорода и образовать метан, или с двумя атомами кислорода и образовать углекислый газ. С другой стороны, атом кислорода соединится с двумя атомами водорода, образуя воду.

Количество атомов водорода, с которыми атом может соединиться, назвали валентностью.

Валентность водорода - 1, кислорода - 2, углерода - 4, натрия и лития - 1, кальция и бария - 2. Некоторые вещества, например, сера и железо, могут иметь несколько валентностей. Когда были открыты гелий и аргон, обнаружили, что у них вообще нет валентности - они не вступали в химические соединения с другими элементами. Поэтому они получили название "инертных" газов.

В 1919 году Лангмюр предложил модель атома, отвечающую потребностям химиков.

В атоме Лангмюра, так же как и в модели Бора и Резерфорда, ядро находится в центре. Это ядро, словно сердце жемчужины, является центром концентрических оболочек. Каждая оболочка может иметь только строго определенное количество электронов. Самая первая внутренняя оболочка способна вместить всего два электрона. Водород имеет один электрон, так что его оболочка заполнена лишь наполовину - поэтому водород химически активен, так как он стремится привлечь еще один электрон, даже если последний уже входит в другой атом. По мнению Лангмюра, именно тот факт, что водород проявляет тенденцию присоединить один электрон, определяет его валентность, равную единице.

В гелии, имеющем два электрона, внутренняя оболочка заполнена, и это объясняет инертность гелия.

Лангмюр утверждал, что когда внутренняя оболочка заполняется до отказа, атом, имеющий большее количество электронов, располагает их на следующей оболочке, способной вместить восемь электронов. Литий (у него на один электрон больше, чем у гелия), имеет, следовательно всего один электрон на внешней оболочке, который он может потерять. Это объясняет химическую активность лития.

Неон, в свою очередь, имеет два электрона на внутренней оболочке и восемь электронов на внешней. Поскольку обе оболочки неона заполнены, он, как и гелий, инертен.

Рис. 71. Лайнус Полинг - химик-теоретик

Углерод имеет четырнадцать электронов: два на внутренней оболочке, восемь на второй и четыре на третьей. Это означает, что на третьей оболочке есть свободное место еще для четырех электронов.

Для заполнения этих четырех мест атом углерода может соединиться с четырьмя атомами водорода или двумя атомами кислорода.

Подобное объяснение Лангмюр распространил на все соединения и реакции, известные в химии. Молекулы, составленные из атомов, которые используют электроны друг друга, чтобы заполнить свои оболочки, чрезвычайно прочны. Чтобы разрушить их, требуется большое количество теплоты. Они переходят в газообразное состояние при чрезвычайно низкой температуре. Метан и углекислый газ обладают именно этими свойствами.

Огромная работа Лангмюра была, конечно, впоследствии дополнена новыми знаниями. Но именно учение Лангмюра легло в основу трудов Лайнуса Полинга¹ из Калифорнийского технологического института, который исследовал природу химической связи.

¹ (Полинг Лайнус Карл (р. 1901) - крупный американский физик и химик, лауреат Нобелевской премии. Известный борец за мир и разоружение. Основные работы посвящены теории химической связи и исследованиям структуры сложных молекул)

Л. Полинг смог объяснить устройство наиболее сложных органических молекул. Он показал, что теория прямых цепей является сильным упрощением. Атомы гигантских органических молекул не располагаются в двух измерениях, как на листе бумаги, что было бы очень удобно, а представляют собой чрезвычайно сложные объемные структуры.

Полингу удалось расширить сферу своей работы вплоть до изучения структуры вирусов.

Страсть Лангмюра к альпинизму вызвала в нем интерес к метеорологии и структуре облаков. Это, в свою очередь, заставило его заняться возможностями создания искусственного снегопада и дождя в переохлажденных облаках. Зимой 1945 года он вместе с ассистентом провел ряд опытов, вводя различные кристаллы в переохлажденный воздух, чтобы проверить теорию о том, что кристалл может стать ядром для цепной реакции конденсации.

21 июля 1949 года Армейский корпус связи и Управление морских исследований в Нью-Мексико предоставили Лангмюру и его персоналу возможность провести испытания.

В пять тридцать утра наземный генератор Лангмюра начал испускать йодизированный дым. Через три часа можно было видеть большое облако, сгущавшееся над генератором. В 9 часов 57 минут экраны радара отметили дождевые капли в туче. Вскоре после этого сверкнула молния, загрохотал гром, и полился обильный дождь, шедший на большом пространстве в течение нескольких часов. Последующие испытания не были столь эффективными, может быть, потому, что от них ждали слишком многого.

По свидетельству друзей, Лангмюр был типичным образцом общепринятого представления об ученом. Все, на что падал его взор, немедленно становилось предметом напряженных размышлений. Как бы незначителен ни был предмет этих размышлений, он никогда не считал их пустой тратой времени.

Он сожалел только о долгих часах, проведенных в суде во время тяжбы из-за патентов. Однажды он сказал: "Мне кажется, что полжизни я истратил на это".

Но даже если бы это было правдой, то и тогда вторая половина была истрачена Лангмюром так, что Америка и все человечество перед ним в огромном долгу.