Атом углерода, по одному за раз

Соединения углерода образуются путем сочетания атомов углерода, поэтому давайте начнем с них. Ядро атома углерода содержит шесть протонов, таким образом, оно имеет шесть единиц положительного заряда, который может притянуть шесть электронов, прежде чем будет нейтрализован. Когда эти электроны пытаются свести к минимуму свою энергию, в игру вступают наши три правила. Электроны предпочли бы иметь волновые функции в стационарных состояниях или, как говорят химики, орбиталях с самой низкой возможной энергией. Это симпатичные, круглые, компактные орбитали, которые показаны в верхнем левом углу на илл. 26. Однако принцип Паули гласит, что так мы можем найти место только для двух электронов.

Оставшимся четырем приходится использовать другие виды орбиталей в пространстве. Сделав шаг вправо, мы увидим другую круглую орбиталь. Она менее компактна, поэтому получает меньше выгоды со стороны притягивающего заряда центрального ядра. Электроны на этой орбитали менее стабильно связаны с ядром, чем два «внутренних» электрона, – ключевой факт к тому, что последует дальше. Эта вторая круглая орбиталь может содержать еще два электрона, таким образом, теперь у нас теперь есть место для четырех из шести электронов. Чтобы поселить оставшиеся два, нам надо заглянуть немного дальше.

Сделав еще один шаг вправо, мы видим новый вид орбитали, уже не круглой, а скорее в форме гантели. Такая форма может быть ориентирована в любом направлении, поэтому на самом деле существует три независимые орбитали этого типа. Поэтому после того, как мы вводим эти орбитали в игру, у нас появляется полно места для двух оставшихся электронов.

Оказывается, что у этих двух новых видов орбиталей практически одна и та же энергия, поэтому электроны могут занимать их по выбору без запретительно больших энергетических трат. Важным является различие между двумя внутренними электронами, которые очень прочно связаны с ядром, и четырьмя внешними электронами, которое состоит в том, что последние удерживаются гораздо слабее. И когда рядом существуют другие атомы, именно эти четыре оказываются вожделенными целями для раздела. Слегка изменив свои орбитали, эти электроны могут существенно удаляться от «своего» ядра и пользоваться выгодами притяжения соседних.

Атомы углерода в связках

Когда мы говорим о связанных состояниях атомов углерода, существует два особенно прекрасных, симметричных способа разделять электроны между атомами. Они показаны на илл. 27.

Слева мы видим единицу структуры алмаза, которая демонстрирует идеальную трехмерную симметрию. Здесь четыре орбитали вытягиваются к вершинам тетраэдра – простейшего платонова многогранника, как вы помните.

Илл. 27. Чистый углерод имеет две возможности установления связи между атомами, обе из которых оптимальны с точки зрения симметрии

Справа мы видим единицу структуры графена, которая демонстрирует идеальную двумерную симметрию. Три лежащие в одной плоскости орбитали вытягиваются к вершинам равностороннего треугольника – простейшего правильного многоугольника. Белые шары в обоих случаях будут замещены другими атомами углерода с тем же типом связи, тогда как темные шары внесут вклад в слой квазисвободных электронов. (Строго говоря, плотность этого электронного слоя распределяется пополам – половина сверху и половина снизу по отношению к основной плоскости атомов углерода). Заметьте, что если каждая орбиталь занята одним электроном от каждого ядра, то мы отлично удовлетворяем принципу Паули, причем каждое ядро углерода делит по четыре своих электрона с соседними. На других иллюстрациях в этой главе вы увидите, как эти основные элементы комбинируются друг с другом и дают великолепное разнообразие материалов из чистого углерода.

Не случайно именно эти особенно симметричные образцы связи атомов оказываются теми, которые соответствуют предпочтительной (низкой) энергии. Они позволяют реализовать мириады стабильных способов комбинировать атомы углерода, которые мы сейчас исследуем.