yavor2 (553175), страница 62
Текст из файла (страница 62)
Электростатическое притяжение противоположно заряженных ионов 5!а+ и С1- приводит к нх сближению. На весьма малых расстояниях между вонами 5!а' и С! силы притяжения сменяются силами отталкивания, препятствующими дальнейшему сближению ионов. Эти силы вызваны главным образом отталкиванием между ядрами атомов на малых расстояниях между ними. В конце концов ионы Ха+ н С1- располагаются на равновесном расстоянии г, друг от друга, соответствующем уравновешиванию сил притяжения и отталкивания.
Образуется устойчивая молекула 5)аС! с ионной связью. 3. На примере образования молекулы НаС! видно, что энергия ионизации натрия превышает электронное сродство хлора на 5,1 э — 3,8 эВ = 1,3 эВ. Это значит, что переход электрона от атома натрия к атому хлора требует затраты некоторого количества энергии. С другой стороны„ известно, что при образовании молекулы выделяется энергия. Откуда же берется энергия, недостающая для образования иона натрия? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно учесть, что при сближении ионов выделяется энергия их электростатического взаимодействия. Образование ионов и их сближение происходят одновременно н лишь после того, как атомы сблизятся настолько, что вместе с образованием ионов выделяется необходимое для этого количество энергии.
Известно, что потенциальная электростатическая энергия У(г) взаимодействия двух однозарядных ионов, находящихся на расстоянии г, равна У(г) = еЧ4пе,г, где е — заряд иона, совпадающий с зарядом электрона, е, — электрическая постоянная в системе СИ. Из этой формулы легко найти то расстояние г, на котором энергия 17(г) восполнит разность между энергией ионизации и электронным сродством в 1,3 эВ: г = е*!4пе,У(г). Подставив все численные значения, получим г = 11 10ем м = =11 А.
Отсюда следует, что переход электрона от атома натрия к атому хлора может начинаться лишь при г 11 А. Однако данные рептгеноструктурного анализа показывают, что равновесное расстояние г, в молекуле ЫаС! равно 1,4 А. При этом расстоянии электростатическая энергия 17(г,) составляет 10,2 эВ и на 8,9 эВ превышает энергию, необходимую для образования ионов Ха' и С1- в одной молекуле.
Если пересчитать на один киломоль, то это дает энергию в 49 200 Дж или 205 ккал, выделяющуюся при образовании киломоля 5)аС!. Опыт подтверждает эту величину. Она оказывается несколько завышенной, ибо мы не учитывали, что силы отталкивания уменьшают энергию, выделяющуюся при образовании ионных молекул. 9 74.3. Молекулы с ковалентной химической связью 1. Возникновение ионной связи невозможно при образовании молекулы, состоящей нз одинаковых атомов, например, молекулы Н,. В самом деле, здесь невозможно образование разноименно заряженных ионов.
Однако и между электрически нейтральными атомами может осуществляться особый тип химической связи. Химическая связь такого типа называется ковалентной или гомеополярной связью (от греческого слова «гомео» вЂ” одинаковый). Помимо двухатомных молекул типа Н„О„Ы„ковалентная связь наблюдается у многих молекул: фтористый водород НР, окись азота ХО, аммиак 5(Н,, метан СН, и др.
2. В классической физике был известен лишь один тнп снл, действующих между электрически нейтральными частицами или телами: это гравитационные силы, рассмотренные в 9 9.2. Однако этн силы сляшком слабы, чтобы ими можно было объяснить образование устойчивой гомеополярной молекулы. Кроме того, ковалентная связь обладает свойством насыщения, которое выражается в наличии определенной валентности атомов.
Атом водорода может связаться только с одним другим атомом водорода, а атом углерода может связать четыре атома водорода, но не более. Гравитационные силы, так же как электрические и магнитные, не обладают свойством насыщения. Силы тяготения допускают притяжение одним центральным телом неограниченного числа других тел. Таким 287 образом, гравитационными силами нельзя объяснить химическую гомеополярную связь нейтральных атомов. 3. Природу гомеополярной связи удалось установить только на основе квантовой механики. Понятие о физическом смысле гомеополярной связи мы рассмотрим на примере простейшей молекулы этого типа — молекулы Н„ состоящей из двух ядер (протонов) и двух электронов.
Спектроскопические экспериментальные данные показали, что у молекулы Н, равновесное расстояние между ядрами г, равно 0,74 Л. Энергия связи О (5 74.1) составляет для молекулы водорода 4,718 эВ или 103,24 ккал!киломоль. Теория должна была получить эти данные, и она их получила. 4. В основу квантовомеханического обьяснения гомеополярной связи положены специфически квантовые, не классические свойства валентных электронов атомов, взаимодействие которых приводит к образованию молекулы. Прежде всего учитывается волновая природа электрона.
Она приводит к тому, что существует определенное распределение вероятности обнаружить электрон вблизи ядра. В простейшем случае з-состояния электроУ— на 5 72.3) распределение вероятности имеет сферическн-симметричный характер: «электронное облако» представляет собой сферу некоторого радиуса. Кроме того, принимается во внимание принципиальная неразличимость тождесп«веннь«х частиц, в г- частности электронов. В самом деле, два электрона в молекуле водорода, движуО+ О+ щиеся каждый вокруг «своего» ядра, в сущности ничем не отличаются друг от друга: у них одинаковые заряды и массы поРя«.
74 3. коя и у обоих спины равны «»,'2. Отсюда следует, что если оба электрона обмениваются местами, так, что электрон 1, ранее принадлежавший ядру а, перейдет на место электрона 2, принадлежавшего ядру Ь, а электрон 2 совершит обратный переход, то в состоянии молекулы Н, ничего не изменится (рис. 74.3). Разумеется, такой обмен может произойти лишь в том случае, если оба ядра атомов водорода в молекуле Н, будут достаточно сближены. При этом «электронные облака» обеих молекул будут перекрываться. Принцип Паули допускает существование двух электронов в одном состоянии с противоположно направленными спинами. Слияние областей, где могут находиться оба электрона в молекуле водорода, означает возникновение между ними особого (квантовомеханического) обменного взаимодействия.
Дело сводится к тому, что каждый из электронов в молекуле водорода может принадлежать попеременно то одному, то другому ядру, электроны непрерывно обмениваются местами, Некоторой иллюстрацией того, что происходит с электронами в молекуле водорода, может служить непрерывный обмен одинаковыми мячами двух людей, находящихся поблизости друг от друга. Ясно, что если люди специально не тренированы, то успешный обмен мячами возможен лишь на близком расстоянии между партнерами. 5. Квантовомеханическне расчеты показали, что при антнпараллельной ориентации спинов обоих электронов энергия взаимодействия атомов имеет минимум, обеспечивающий образование устойчивой молекулы водорода. При параллельных спинах электронов энергия взаимодействия положительна и атомы отталкиваются. Й~lее На рис.
74.4 изображены кривые энергии У(е) взаимодействия атомов водорода при антипараллельных (кривая 1) и параллельных (кривая 2) спи- И нах электронов. Минимум энергии на кривой 1 приходится на расстояние между ядрами атомов ев = 0,83 А. Энергия д оциации молекулы Нв 2 1 (энергия связи 17), рассчитанная Гайтлером и Лондоном, оказалась равной г 2 г~ 3,2 эВ. Эта величина хуже согласо- -1 ~ с валась с экспериментальным значени- ! ем (4,72 эВ), чем длина связи, которую 4с 1 2 установили опытным путем равной Гги18 Г.б ЕдиНи~аХПЕ 0,74 А. Впоследствии улучшенные квантовомеханические расчеты приве- Рис. 74.4.
ли к лучшему согласию с опытом. Образование устойчивой молекулы Нн лишь при антнпараллельных спинах электронов в атомах означает, что если произойдет столкновение двух атомов водорода, у которых спины электронов параллельны друг другу, то атомы будут отталкиваться и молекула не образуется. Опыт показывает, что молекула Н, диамагнитна (5 42.4). Это объясняется тем, что при отсутствии у молекулы орбитального магнитного момента ($ 42.2) и при скомпенсированных спинах результирующий магнитный момент молекулы равен нулю и она проявляет диамагнитные свойства.
й 74.4. Понятие о молекулярных спектрах 1. Спектры молекул по внешнему виду сильно отличаются от атомных спектров, рассмотренных в $ 71.3. Молекулярные спектры представляют собой совокупность более или менее широких полос, образованных тесно расположенными спектральными линиями. За их характерный вид молекулярные спектры называются полосапрыййи спектрами, Полосы в молекулярных спектрах наблюдаются в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот электромагнитных волн. Близко расположенные полосы в спектрах молекул образуют еруппы полос. В простейших дпухатомных молЕ- 2О В. М. явврсннй. А.
А. Пинский, с. 2 289 кулах наблюдается обычно несколько групп полос. На рис. 74.5 приведена для примера фотография части спектра молекулы йода. Г!о мере усложнения строения молекул усложняются их спектры. У многоатомных молекул сложной структуры в видимой н ультрафиолетовой части спектра наблюдакпся сплошные широкие полосы поглощения и испускания. Рис. 74.5. 2. Каждая спектральная линия в молекулярном спектре, так же как и в спектрах атомов, возникает при изменении энергии молекулы. Полная энергия молекулы состоит из пяти частей, которые в первом приближении можно считать независимыми друг от друга (ср. Я 27.8, 27.9). Части эти следующие: е-„„, — энергия поступательного движения центра инерции молекулы; 8„— энергия вращательного движения молекулы, как целого, вокруг некоторой оси; чу„— энергия двигкения электронов в атомах молекулы; — энергия колебательного движения ядер атомов, составляющих молекулу, и, наконец, 4'„, — энергия ядер атомов в молекуле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
