А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 80

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 80)

Следовательно, вэтом случае действуют силы отталки­вания, препятствующие сближению302 12. Молекулыядер. Так как полная энергия присближении ядер возрастает болеебыстро, чем энергия е2/(4тге0Л) взаи­модействия ядер при отсутствииэлектрона, то наличие электрона сантисимметричной волновой функ­цией увеличивает силы отталкиваниямежду ядрами. Ясно, что никакоймолекулы при этом образоваться неможет.Совершенно по-другому обстоитдело в том случае, когда электроннаходится в состоянии с симметрич­ной волновой функцией. Как видно нарис.

92, б, полная энергияумень­шается, когда расстояние между ядра­ми уменьшается, если только это рас­стояние больше R 0. Таким образом,при уменьшении расстояний междуядрами выделяется энергия, а этоозначает, что между ядрами дейст­вуют силы притяжения. При R < R 0энергия при уменьшении расстоянияR возрастает. Это означает, что приR < R 0 между ядрами действуютсилы отталкивания.

Я дра находятся вустойчивом равновесии на расстоя­нии R = R 0 друг от друга; при R > R 0возникаю т силы притяжения, кото­рые стремятся уменьш ить это рас­стояние и сделать R = Л0; при R < R„возникаю т силы отталкивания, кото­рые стремятся увеличить расстояниеи сделать R = R 0. Следовательно,имеется устойчивое состояние двухядер и электрона, т.е.

образоваласьмолекула.Связь в молекуле, обусловленнаяобобществленными электронами, на­зывается ковалентной.Физическая сущность ковалентнойсвязи состоит в следующем. Электронв поле ядра находится в определен­ном квантовом состоянии с опреде­ленной энергией. Если расстояниемежду ядрами изменяется, то изменя­ются и состояние движения элект­рона, и его энергия. Между ядрамидействуют силы отталкивания, по­этому энергия взаимодействия междуними увеличивается при уменьшениирасстояния.

Однако если энергияэлектрона при уменьшении расстоя­ния уменьшается более быстро, чемувеличивается энергия взаимодейст­вия ядер, то полная энергия системыпри уменьшении расстояния умень­шается. Это означает, что в системеиз двух отталкиваю щ ихся ядер иэлектрона действуют силы, стремя­щиеся уменьшить расстояние междуядрами, т.е. действуют силы притя­жения, которые и обусловливаю т ко­валентную связь в молекуле. Они воз­никают благодаря наличию общегоэлектрона, т.е. благодаря обменуэлектроном между атом ам и, и, следо­вательно, являю тся обменными кван­товыми силами.Ионная связь.

Наиболее стабиль­ная электронная конфигурация атом асостоит из замкнутых электронныхоболочек, в которых все электронныесостояния заполнены.А томы с незамкнутыми внешнимиэлектронными оболочками или лиш а­ются электронов, или присоединяютдополнительные электроны, чтобывнешняя оболочка стала замкнутой. Врезультате образую тся положитель­ные или отрицательные ионы.Энергия, необходимая для удале­ния электрона из атом а, называетсяэнергией ионизации. Она является ко­личественной мерой прочности связейсамых внешних электронов с атом ом .В результате ионизации атом стано­вится ионом. При образовании внеш­ней замкнутой оболочки присоеди­няется электрон к атом у и происходитвыделение энергии, называемой энер­гией сродства к электрону.

Энергиясродства равна с обратны м знакомэнергии ионизации положительного§ 58. Химическая связь 303иона, который образуется в резуль­тате присоединения электрона катому, и поэтому является количест­венной мерой прочности связи соот­ветствующего электрона с положи­тельным ионом.Замкнутыми электронными обо­лочкамиобладаю тблагородные(инертные) газы (гелий, неон, аргон ит. д.). Именно замкнутостью оболо­чек объясняется их инертность отно­сительно вступления в химическиереакции с другими элементами.Добавление одного электрона кзамкнутой оболочке благородногогаза приводит к образованию элект­ронной конфигурации щелочного м е­талла (литий, натрий, калий и т.д .). Кэтой группе в периодической системеэлементов принадлежит и атом водо­рода, у которого электронная конфи­гурация состоит из одного электрона.Щелочные металлы легко теряю тэтот дополнительный электрон и пре­вращ аю тся в отрицательные одно­кратно заряженные ионы L i” , N a~,К ' и т.

д. Удаление одного электронаиз замкнутой оболочки благородногогаза приводит к образованию элект­роннойконфигурациигалогенов(фтор, хлор, бром, иод и т.д .). Г ало­гены стремятся присоединить себеэлектрон и превратиться в однократ­но заряженный положительный ионF +, С Г , Вг +, Г , . . . .Энергии ионизации щелочных ме­таллов убываю т с ростом порядко­вого номера элемента (у Н, Li, Na, Кони равны соответственно 13,6; 5,4;5,1; 4,3 эВ). Это объясняется тем, чтовнешний электрон находится в полезаряда ядра Ze, экранированного за­рядом - ( Z — 1)е замкнутых внутрен­них оболочек, т.

е. в эффективномполе одного и того же заряда Ze —— (Z — 1)е = е, однако не на одном итом же расстоянии от центра. С уве­личением порядкового номера эле­мента это расстояние увеличиваетсяи, следовательно, энергия ионизацииуменьшается.Энергии сродства галогенов кэлектрону также уменьшаются с рос­том порядкового номера элемента (уF, Cl, Br, I они равны соответственно3,45; 3,61; 3,36; 3,06 эВ). Объяснениеэтой зависимости аналогично объяс­нению роста энергии ионизации ще­лочных металлов с ростом порядко­вого номера элемента.В пределах каждого периода пе­риодической системы элементов Мен­делеева при переходе от щелочногом еталла к благородному газу, отно­сящемуся к тому же периоду, проис­ходит постепенное заполнение внеш­ней оболочки до тех пор, пока она нестанет замкнутой.

Поэтому с внешнейоболочки могут быть удалены 2, 3электрона и т .д . Энергия ионизациипри этом растет. Это объясняетсятем, что внешние электроны находят­ся у этих атом ов в эффективном поле2е, Зе и т. д. Например, электронывнешней оболочки у лития, бериллия,бора и углерода находятся соответст­венно в эффективном поле заряда е,2е, Зе, 4е. Если же в пределах периодапереходить от инертного газа к ще­лочному металлу того же периода, томожно говорить об увеличении числанедостающих до замкнутой оболочкиэлектронов. С увеличением числа не­достающ ихэлектроновэнергиясродства к электрону убывает, чтообъясняется аналогично росту энер­гии ионизации при переходе к болеетяжелым элементам в пределах одно­го и того же периода.Ионная связь может возникатьмежду атом ам и лишь в том случае,когда полная энергия системы двухионов,образующихмолекулу,меньше, чем полная энергия двух ато­304 12 Молекулымов, из которых состоит эта моле­ состояния, которые до этого быликула, т.

е. когда для разделения моле­ незанятыми. Это требует затратыкулы на два атом а необходимо затра­ энергии, и, следовательно, при пере­тить энергию.крытии электронных оболочек междуНапример, если ионы N a + и С1~ ионами возникаю т силы отталкива­находятся на расстоянии Л = 0,5 нм ния.друг от друга, то для их разведенияСтабильные состояния молекулына бесконечное расстояние необхо­ возникаю т при равенстве этих силдимо затратить энергию е2/(4п г0К) =отталкивания и кулоновских сил при­= 2,9 эВ.

Поскольку энергия иониза­ тяжения. Зависимость потенциальнойции натрия равна 5,1 эВ, а энергия энергии от расстояния с учетом силсродства хлора к электрону состав­ притяжения и отталкивания показаналяет 3,6 эВ, при обмене электроном на рис. 92, г, а стабильное состояниемежду N a + и С1_ высвобождается соответствует минимуму потенциаль­энергия 1,5 эВ и образую тся атомы ной энергии. Для молекулы NaCl этотN a и С1. Следовательно, для перехода минимум достигается при R 0 =от системы из ионов N a + и С1“ , = 0,24 нм, а потенциальная энергиянаходящихся на расстоянии 0,5 нм при этом равна Еп = — 4,2 эВ.

Этодруг от друга, к атом ам N a и С1 означает, что для разложения моле­требуетсязатратитьэнергию кулы NaCl на атом ы N a и С1 требует­2,9 эВ — 1,5 эВ = 1,4 эВ, т.е. в прин­ ся затратить энергию 4,2 эВ.ципе система N a +C l“ при Л = 0,5 нмИонная связь является слабой, иявляется связанной и может состав­ поэтому соответствующие молекулылять молекулу NaCl. Однако это не часто внешними силами лишаютсяозначает, что стабильное состояние своей идентичности.

Например, моле­этой молекулы осуществляется имен­ кула NaCl сохраняет свою идентич­но при R = 0,5 нм. При уменьшении ность лишь в газообразном состоя­R кулоновская энергия связи ионов нии. В кристаллах NaCl молекулырастет и, следовательно, для увеличе­ распадаются на ионы N a + и С1_,ния стабильности молекулы выгодно которые занимаю т свои места в узлахуменьш ать расстояние между иона­ кристаллической решетки.

В кристаллми, т.е. увеличивать роль сил при­ лю бого разм ера входит одинаковоетяжения между ними. Однако наряду число ионов N a + и С Р , но нет нис силами притяжения между ионами, одного образования, которое можноявляющимися кулоновскими, сущест­ было бы назвать молекулой NaCl.вуют также силы отталкивания, обу­ Такого типа кристаллы называю тсясловленные взаимодействием элект­ ионными.ронных оболочек ионов.При малых расстояниях электрон­ 59.

Характеристики

Список файлов книги