А.Н. Матвеев - Атомная физика (1121290), страница 83
Текст из файла (страница 83)
В этом случае энергия взаимодействия имеетминимум при расстоянии между протонами. равном по порядку величиныборовскому радиусу. В случае параллельных спинов между атом ам идействуют на всех расстояниях силыотталкивания и образование молекулы невозможно.Равновесное расстояние. Расстояние, при котором Е {п„л* достигает минимума, есть равновесное расстояниемежду атом ам и в молекуле водорода,а соответствую щ ая энергия являетсяэнергией диссоциации молекулы водорода.
Из экспериментальных данных следует, что равновесное расстояние между атом ам и в молекуле водорода равно 1,4 а0, а энергия диссоциации равна 4,5 эВ. Теоретические расчеты даю т удовлетворительное согласие с этими величинами. Наличие силотталкивания между атом ам и с параллельными спинами также былообнаружено экспериментально.Вчастности, при столкновении атомымогут образовы вать молекулу лишьтогда, когда спины электронов антипараллельны. Следовательно, пристолкновении двух атом ов вероятность того, что между ними будутдействовать силы притяжения, равна/ 4, в то время как вероятность возникновения сил отталкивания равна3/ 4. Это обусловлено тем, что имеются три спиновые волновые функции для триплетного состояния итолько одна функция для синглетного.Полный спин молекулы.
Поскольку образование молекулы водородавозможно только при антипараллельных спинах электронов, полный спинмолекулы водорода должен быть равным нулю. Отсю да следует, что имагнитный момент молекулы водорода должен быть равен нулю. П оэтому водород должен быть диамагнетиком. Это заключение подтверждается экспериментом.Предположим, что к молекуле водорода приближается еще один атомводорода. Они могут начать обмениваться электронами. Спрашивается:какие в результате этого возникнутсилы и нет ли возможности образовать молекулу из трех атом ов водорода? В молекуле водорода имеетсядва электрона с антипараллельнымиспинами.
М олекула водорода и атомводорода не могут между собой обмениваться электронами с антипараллельными спинами, потому что в результате такого обмена в молекулеводорода образовались бы два электрона с параллельными спинами, чтоневозможно. П оэтому между молекулой водорода и атом ом водорода допустим обмен лиш ь электронами спараллельными спинами. Но такойобмен, как это видно на примере м олекулы водорода, приводит к возникновению сил отталкивания.
Следовательно, между молекулой водорода иатом ом водорода возникают силыотталкивания и образование молекулы их трех атом ов водорода не можетпроизойти. Этим обстоятельствомобъясняется свойство насыщения ковалентных связей.Замкнутые оболочки атом ов всегда отталкиваю тся.
Это имеет большое значение для понимания ионнойсвязи. Ионы стремятся притянуться12. М олекулыдруг к другу под действием кулоновских сил, однако при достаточно м алом расстоянии начинаю т действовать обменные силы отталкиваниямежду замкнутыми оболочками ионов.Таким образом, размер молекулыопределяется тем расстоянием, накотором обменные силы отталкивания между замкнутыми оболочкамиионов уравновешивают силы кулоновского притяжения между ионами.Параводород и ортоводород. М ногочисленные эксперименты показывают, что спин протона равен 1/ 2. Следовательно, протоны подчиняютсяпринципу Паули.
В полной аналогиис тем, что было сказано о двух электронах в атоме гелия, можно заклю чить, что полная волновая функция,описывающая состояние протонов вмолекуле водорода, должна бытьантисимметричной. Поэтому спиновая часть этой волновой функции м ожет быть либо симметричной, либоантисимметричной. Это означает, чтоспины протонов могут быть направлены либо параллельно, либо антипараллельно.
М олекулы водорода, у которых спины протонов антипараллельны (полный спин двух протоновS = 0), называю тся молекулами параводорода. При параллельных спинах( 5 = 1 ) молекулы называю тся молекулами ортоводорода. В обычном водороде молекулы параводорода содержатся в отношении ( 2 - 0 + 1): (2 • 1 ++ 1 ) = 1 :3, потому что ортоводородимеет в три раза больше спиновыхсостояний, чем параводород.
М олекулы параводорода и ортоводорода ведут себя как два самостоятельныхвида молекул, потому что в обычныхстолкновениях между молекуламивзаимная ориентировка спинов в м олекулах практически никогда не изменяется и нет взаимопревращения м олекул параводорода и ортоводорода.61. Валентность. Метод валентных связейОписываются основные физические факторы,обусловливающие валентность элементов.Инертные газы. На примере молекулы водорода видно, что объединениеатом ов в молекулу возможно лишь втом случае, если один из электроноводного атом а может вступить в обмен с электроном другого атома,имею щим антипараллельный спин.Таким образом, вопрос сводится ктому, есть ли в атом ах электроны сосвободными спинами. Если все электроны в атоме объединены в пары сантипараллельными спинами, то ниодин из электронов не может вступить в обмен с электроном другогоатом а с антипараллельным спином и,следовательно, невозможно образование молекулы.
П римером являютсяблагородные газы, в атомах которыхвсе электроны упорядочены в пары сантипараллельными спинами, так чтополный спин атом а равен нулю. П оэтому атом ы благородных газов неимею т ни одного электрона со свободным спином, который мог бывступить в обмен с электроном другого атом а благородного газа с антипараллельным спином. Этим и объясняется, почему благородные газы являю тся инертными.Валентность. Валентность атом аотносительно водорода определяетсячислом электронов со свободнымиспинами, которые могут вступать вобмен с соответствую щ им числомэлектронов другого атом а.
Электроны внешней оболочки атом а могутобразовы вать различные конфигурации. Валентность для различных конфигураций может быть различной.Валентность атом а в возбужденномсостоянии может отличаться от еговалентности в основном состоянии.Обычно под валентностью понимает§ 62. Структура молекул 313Таблица 7ЭлементыХарактеристикиПолный спинВалентностьСоединениеННеLiBeВСNОFNe1/21Н200-1/21LiH00[ВеН]1/21ВН12[C H J3/23NH312ОН21/21FH00-ся валентность в основном состоянии.В табл. 7 приведены валентностиэлементов первых двух периодов таблицы Менделеева.Имеется хорошее согласие междутеорией и экспериментом, за исключением двух случаев, указанных в таблице квадратными скобками. Теориядля Be и С дает соответственно валентности 0 и 2, в действительностиже для них наблю даю тся валентности1 и 4.
Как показывает более детальный анализ вопроса, это различиеобусловливается тем, что их валентности определяются не основнымисостояниями атом а, а возбужденными. Таким образом, может случиться,например у углерода, что главнуюроль играет валентность атом а не восновном состоянии, а в возбужденном. П оэтому в связи с валентностьюследует также рассматривать и возбужденные состояния атомов. Этоособенно важно в том случае, когдавозбужденное состояние имеет большую валентность, чем основное состояние.Метод валентных связей.
В вопросах строения сложных молекулочень наглядным является метод валентных связей, основывающийся наследующих допущениях. М олекула вцелом представляется как системаотдельных атом ов, достаточно четкоотделенных друг от друга. Отдельныеатом ы связаны друг с другом хорошолокализованными ковалентными связями.
Каждая ковалентная связь обеспечена двумя электронами с противоположно направленными спинами,причем один электрон со своим направлением спина принадлежит одному из связываемых атом ов, а друго й -д р у го м у . Электроны подавляю щую часть своего времени проводятмежду атом ам и, ковалентную связьмежду которыми они обеспечивают.П оэтому каждую из валентных связейможно рассм атривать отдельно отдругих, а орбитали каждого из атомов, обеспечивающие ковалентнуюсвязь, считаются в первом приближении идентичными орбиталями изолированного атом а. Лиш ь при количественных расчетах приходится принимать во внимание модификацииорбиталей, обусловленные различного рода взаимодействиями.62.
Структура молекулОбсуждается возникновение направленных валентностей атомов, метод молекулярных орбиталей, гибридизация и кратные связи между атомами.Метод молекулярных орбиталей. Впротивоположность методу валентных связейм етод молекулярных орбиталей ссамого начала рассматривает молекулу как систему, внешние электроныкоторой принадлежат всей молекуле.Орбитали являю тся орбиталями м олекулы, а не орбиталями отдельныхатомов.Существование молекулы обеспе-314 12 Молекулычивается концентрацией электроннойплотности между атом ам и.
О бразование ковалентной связи двумя электронами с противоположно направленными спинами с точки зрения метода молекулярных орбиталей сводится к тому, что при перекрытииатомных орбиталей в случае противоположно направленных спиновплотность электронного облака увеличивается, а при одинаково направленных спинах по принципу Паулиэтого не происходит.М етод валентных связей в ком бинации с методом молекулярных иатомных орбиталей позволяет датьнаиболее наглядную интерпретациюструктуры молекул.Представление структуры методомвалентных связей. Каждая пара электронов, обеспечивающая ковалентнуюсвязь, изображается линией, проведенной между соответствую щимиатом ами. Например, анализ внешнихоболочек показывает, что в атомахмолекул Н 2, 0 2 и N , в образованииковалентных связей участвуют соответственно одна, две и три парыэлектронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
