А.С. Давыдов - Квантовая механика (1120560), страница 108
Текст из файла (страница 108)
Четыре тетраэдрические валентности наблюдаются мов кремния, термания и олова, четыре внеп1иих элект торых в свободных атомах относятся соответственно к гурациям (п«)т(лр)з при а = 3, 4, 5. Перестройка электронного состояния происходит и мнческом соединении бериллия с другими атомами. Св атом бериллия имеет конфигуэвацию (1«)з(2«)з. Вален стояние атома бериллия (!«)' (2«)'(2р)' онределяетс внешними электронами, находящимися в состояниях, оп щйхся двумя взаимно ортогональными, нормированным нице на сфере единичного радиуса, волновыми функци ф, = — (! «) + ! р,>) = (8п) д (1 + ф'3 соэ 8), ) !' 2 4рт — = (! «) — ! р )) = (8Л) ь(1 — )/3 соз 8); У' 2 .на сфере единичного радиуса, являются !ч = —,' О «)+! р.>+! ру>+! р.>).
~Ъ = —, (! «) + ! Р.> — ! РУ> — ! Р.>), 1 Фз = 2 (! ) — ! дх>+ ! ру> — ! Р*>) 1 / Т4 2 (! > !1Х> !1у>+! "~>)~ (131,1) и. Вва рона, за )', нахо нкциям макси разованнаправ находя фя име ованно м буде этаким х,.— у,г остояния нкциями химичеи тетра и подои у ато рона ко- конфипри хнободный тное соя двумя исываюи к едиямн (131,3 (131,4) $!Зв ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ СИЛ Плотность вероятности, определяемая функцией (131,3), имеет максимальное значение вдоль оси е; для функции (131,4) плотность вероятностн максимальна для угла 8 = 180'.
Следовательно, две валентности атома бериллия направлены в противоположные стороны. В связи с этим, например, молекула ВеС!у является линейной молекулой. Электронная конфигурация (1з)з(2з)з(2р)' атома бора при образовании химического соединения переходит в конфигурацию (!з)У(2з)'(2Р)з, в которой три внешних электрона занимают состояния, соответствующие волновым функциям ф = =1! з)+ ~2!Рк)1* ф2 = — И 2 ! з) — ! Рк) + Ф 3! Ру) ~, (! 31,5)~ фз = у- (Ф'2! 4 — ! Рк) — 'г 3! Ру)). У6 Валентности, определяемые функциямн (131,5);,лежат в одной плоскости и составляют между собой углы 120'.
Итак, при образовании. химического соединения обычно происходит перестройка электронной оболочки свободного атома. Кроме указанной выше перестройки электронной конфигурации„ возможна и более существенная перестройка электронной оболочки, когда электрон атома в-молекуле смещается к одному или нескольким другим атомам молекулы, что приводит к образованию дополнительной нонной связи..Например, в некоторых соединениях (ИНуВг, 5!НАС! н др.) атом азота выступает в виде положительного иона 5!+.
При переходе одного электрона атома азота к другим атомам молекулы образуется положительный нон азота с электронной конфигурацией (1з)з(2з)'(2Р)з, соответствующей четырехвалецтному атому углерода, поэтому нон азота в состоянии удержать четыре атома водорода н образовавшийся отрицательный ион атома галонда.
Хотя такая перестройка электронных- оболочек требует энергии, эта энергия с избытком компенсируется энергией; выделя~ощейся прн образовании связи атомов в молекуле. В молекулах 'НВГ4 н 'некоторых других бор. Является отрицательным коном с электронной конфнгурацней (1з)з(2з)'(2Р)з. Ионные взаимодействия в молекуле характеризуются числом окружающих соседей. В молекуле 5!аС! каждый ион имеет одного соседа, а в кристалле г)ЕС1, который можно 'рассматривать как одну большую молекулу, каждый нон натрия окружен шестью ионами хлора.
В кристалле СЭС1 каждый нон хлора окружен восемью ионами цезия. Поскольку при образования ионных взаимодействий происходит смещение электронов 636 элементАРИАя теОРия мОлекул и химическОЙ связи [Гл ху от одних атомов молекулы к другим, то молекула обычно приобретает электрический момент. В некоторых случаях вследствие особой симметрии распределения электрического заряда такой момент отсутствует. В общем случае некоторое смещение электронов от одних атомов к другим происходит и в гомеополярных соединениях, что приводит к появлению электрических моментов. В связи с этим разделение химических связей на ионные и чисто гомеополярные имеет условный характер.
в) К р а т н ы е с в я з и м е ж д у а т о м а м и. о- и и-с в я з и. В некоторых молекулах связи между атомами осуществляются не одной, а двумя или тремя парами электронов. Такие связи называют соответственно двойными и тройными. Типичным примером молекул с тройной химической связью является молекула азота [)я,- ее можно записать в виде И=в [[. Как уже отмечалось выше, валентное состояние атомов азота определяется тремя' электронными состояниями )р„), )ру), [р,), образующими три валентности, направленные под прямым углом друг к другу. Если ось е направить вдоль линии, соединяющей два атома азота, то одна' из химических связей образуется при перекрывании волновых функций [р,) обоих атомов.
Соответствующая МОлекулярная функция не зависит от угла [р, т. е. не меняется при вращении вокруг оси г и при отражениях во всех плоскостях, проходящих через ось е. Электроны, образующие такую связь, называются о-электронами. Отметим попутно, что электроны, образующие одиночные связи между атомами, всегда являются о-электронами. Две другие пары валентных электронов в молекуле [[я образуют две дополнительные связи. Одна пара электронов образует связь при перекрывании,волновых функций состояний [р ) обоих атомов. Вторая пара электронов †п перекрывании волновых функций ~р„). Волновая функция молекулы, образованная нз атомных функций ~р„), меняет знак при отражении в плоскости, проходящей через ось г, т.
е. через линию, соединяющую атомы (когда эта плоскость перпендикулярна оси у), так как функция [ру) содержит з[п [р и меняет знак при [р- — ~. Электроны, образующие такую связь, называются п-электронами. Естественно, что энергия связи, образованной и-электронами, меньше, чем энергия связи, образованной о-электронами (меньше перекрываются волновые функции). Пара электронов в состоянии, определяемом волновой функцией, образованной из атомных функций [р„), также называются п-электронами, так как эта функция' меняет знак при отражении в плоскости„перпендикулярной осн х и проходящей через линию связи. Такил[ образом, в молекуле азота из трех связей только одна связь 'между атомами образована ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКИХ СИЛ % мп о-электронами, две другие — и-электронами. Это правило распространяется на кратные связи и между другими атомами.
Атомы углерода могут образовывать между собой двойную связь. Такая связь наблюдается, например, в молекуле этилена н,,н ,С=С . Основная связь между атомами углерода в молекуле этилена (и между атомами углерода и водорода) образована и-электронами. Дополнительная связь между атомами углерода образована и-электронами. Валентное состояние атомов углерода в молекуле этилена описывается четырьмя волновыми функциями: ф 1Р) Ь Оз)+М'2!р)) фа= — '($/21з) — ! рх)+ $/3! ра)) $4= — (~2~ з) — ! р„) — ~3! ре)). п-связи, образованные функциями ф„фм ф„лежат в одной плоскости, перпендикулярной оси е, и образуют между собой углы 120'.
а-связь образуется электронами, находящимися в состояниях ф1 = ~ р,). Наибольшее перекрывание волновых функций ~р,) обоих атомов осуществляется в том случае, когда направления максимальной плотности обоих атомов становятся параллельными. Это условие обеспечивает стабильность плоской структуры молекулы этилена. Между атомами углерода возможна и тройная связь. Такой случай наблюдается в молекуле ацетилена, имеющей линейную структуру: Н вЂ” С вЂ” С вЂ” Н. Тройная связь между атомами углерода в этой молекуле состоит из одной а'-связи и двух п-связей.
Валентное состояние атомов углерода в молекуле ацетилена характеризуется четырьмя функциями 1 1 ф =~ р.), ф =(р,), фа==((а)+(Р.)>, ф4==(1 ) — ~ р.)>. 2 2 Электроны в состояниях вь и фе образуют п-связи между атомами углерода. Электроны в состояниях ~рз и ф, образуют две о-связи в каждом атоме углерода. Одна из них идет на удержание атома водорода, а вторая составляет основную и-связь между атомами углерода. Итак, валентное состояние атома может быть разным в молекулах разного типа.
В атоме. углерода, например, возможны три типа валентных состояний: а) четыре эквивалентных валентности, направленные к. вершинам правильного тетраэдра ;(:- ,зескс~ 638 ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ МОЛЕКУЛ И ХИМИЕ И СВЯЗИ ИГЛ ХУ« „„' свят „ и приводящие к образованию четырех о-~ и ей; б) три валент.-",; ности, направленные под углом 120' и пр с1ящие к образова; нню трех О-связей, лежащих в одной плс'~ „уи, н одна валент'" «скоо ность (электрон а состоянии )р,)), прин«'„ыЦ(ая к образовани~«,,' и-связи; в) двб валентности, направлеу~ в противополож-" ~ные ные стороны, образующие две а-связм 'я ) две валентност~ ' (два электрона в 1р )- и 1ря)-состоянФ'.
образующие две.. п-связи. са г) Молекулы ароматических единений. Не-„,"-' полная локализация связей. В д~ ~мотренных выше:: примерах можно указать число связей, )т 'сивающих каждйй.'; атом в молекуле, т. е. можно в некоторс и'1риближении гово-; рить о локальном положении каждой хуз ""чекой связи, в ко-;.:'.': торой участвуют по два электрона*). В' ю"'и случае в струк-'" турной формуле молекулы можно каж „связь изобразнть-;.' черточкой. Такое положение наблюдаетст"а л всегда. Примером,.' молекулы, в которой частично нарушеФЗ с~кализация связей:='*' между атомами, является молекула бе~~ ч СзНз.
Молекула: бензола является плоской молекулой. ЦГ „'ь атомов углерода', располагаются в углах правильного шер сольника. Три ва-, лентных электРона каждого атома УглеР до УчаствУют в обРа- ',, ЕОВаинн ТРЕХ О-СВЯЗЕЙ: ОДНа С атОМОМ В~Об 'чДа И ДВЕ С СОСЕД- -' ними атомами углерода. Этн три связи чзуют углы в 120 между собой. Четвертый валентный элит ~1 в каждом атоме углерода находится в состоянии 1р,) (с' ч перпендикулярна " плоскости молекулы). Следовательно, эт, ~лектрои относится -: к тнпУ и-электРонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
