Водородная связь и жидкости на Земле

Периодическая система Менделеева — это одно из самых выдающихся достижений и физики, и химии за все время. Просто удивительно, насколько много можно узнать, просто глядя на положение элемента в этой таблице, о специфике межатомного взаимодействия, о свойствах веществ из данных атомов. На многих современных версиях таблицы, если вы посмотрите, бо́льшая часть элементов закрашена черным цветом, значительная часть элементов — красным, и всего два элемента — голубым. И вот вопрос такой «на пятерку» для студентов и школьников: какие элементы у нас голубого цвета? Правильный ответ — это ртуть и бром, совершенно непохожие друг на друга элементы. И именно эти вещества в элементарном состоянии находятся при нормальных условиях в состоянии жидкости.

Для того чтобы понять, почему так мало жидких элементарных веществ, надо обратиться к природе химической связи. У нас есть естественная единица длины и естественная единица энергии для межчастичного взаимодействия — это боровский радиус и энергия Ридберга. Реально все взаимодействия между атомами, между молекулами в веществах имеют, конечно, электромагнитную природу, но с той оговоркой, что электроны, ионы и ядра являются квантовыми объектами. Так вот, боровский радиус — просто комбинация заряда электрона, массы электрона и постоянной Планка — это примерно 0,5 ангстрема, он дает характерный масштаб размера атома, или характерный масштаб межатомного расстояния. Но реально, конечно, все атомы имеют много электронных оболочек, и поэтому характерные межатомные расстояния лежат в диапазоне от 1,5 ангстрема до 3 ангстрем — большинство.

Возможность молекулам подходить близко друг к другу при образовании водородной связи порождает огромное количество структур из этих молекул, поскольку прицепиться формально за водородную связь большие молекулы могут с разных сторон. И получается очень большое количество таких ажурных сетчатых структур примерно с близкими энергиями. Более того, так как молекулы подходят близко друг к другу при водородной связи, новый большой ион между молекулами запихнуть невозможно, поэтому нормальной ионной связи, ионного кристалла, образоваться не может, и поэтому, скажем, плавиковая кислота образует цепочечные структуры HF, а LiF — прекрасную ионную решетку.