Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Химические силы и физика. Многие молекулы состоят всего из нескольких атомов. Однако существуют и гигантские молекулы, например молекулы белков, которые содержат десятки или даже сотни тысяч атомов. Роль физики состоит в том, чтобы объяснить
4 Е. И. Бутиков и др. Книга 3
98
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
химическое взаимодействие атомов, т. е. то, как атомы соединяются в молекулы, а затем образуют макроскопические тела. Оказывается, что при переходе от микроскопических явлений к макроскопическим в некоторых случаях роль квантовых эффектов сохраняется, т. е. квантовая природа проявляется не только в микромире, но и в многочисленных свойствах макрообъектов. Например, высокая электропроводность меди и ее практически полное отсутствие у кварца объясняются в конечном счете именно квантовыми эффектами. Существование постоянных магнитов и сверхпроводников представляет собой особенно яркие примеры проявления квантовых эффектов в макромире.
Можно выделить два принципиально различных механизма, обеспечивающих связь атомов в молекулах: это так называемые ионная и ковалентная связи.
Ионная связь между атомами. Типичный представитель ионной связи — хорошо известная поваренная соль, называемая в химии хлористым натрием (NaCl). Каким образом два разнородных атома — атом металла натрия и атом газа хлора — образуют устойчивое соединение?
Атом натрия имеет один электрон на внешней оболочке; атом хлора имеет семь электронов на внешней оболочке, где в принципе может находиться восемь электронов, т. е. ему недостает одного электрона до заполнения внешней оболочки. Если один электрон атома натрия передать атому хлора, то и у того, и у другого образуются максимально устойчивые электронные конфигурации из целиком заполненных оболочек. Чтобы отнять электрон у атома натрия, нужно затратить энергию 5,1 эВ. При захвате этого электрона нейтральным атомом хлора образуется отрицательный ион С1_, и при этом освобождается энергия 3,7 эВ.
Казалось бы, образование молекулы Na+Cl~ энергетически невыгодно, и такое соединение не может быть устойчивым. Однако между ионами с зарядами противоположных знаков существует электростатическое притяжение, и при их сближении потенциальная энергия взаимодействия убывает. При расстоянии между центрами двух ионов, равном 1,1 нм, убыль потенциальной энергии взаимодействия компенсирует затраты энергии в 1,4 эВ, необходимые для перехода электрона от атома натрия к атому хлора с образованием двух ионов. При дальнейшем сближении ионов появляется уже выигрыш в энергии, что приводит к более сильной связи ионов в молекуле.
Однако ионы могут сближаться лишь до некоторого предела (0,24 нм), соответствующего равновесному расстоянию между ионами в молекуле. На таком расстоянии кулоновские силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, имеющими неэлектростатическое происхождение и связанными с проявлением принципа
§ 12. МОЛЕКУЛЫ
99
Паули. Дело в том, что при сближении ионов доступная для движения их электронов область пространства уменьшается, а это в свою очередь неизбежно ведет к увеличению кинетической энергии электронов. Это сугубо квантовый эффект, который можно объяснить с помощью соотношения неопределенностей Гейзенберга: при уменьшении области движения, т. е. неопределенности значения координат, неизбежно растет неопределенность значения импульса, а следовательно, и сам импульс.
Обусловленные принципом Паули силы отталкивания пренебрежимо малы, пока расстояние между ионами больше равновесного значения, и резко возрастают при попытке сблизить ионы на меньшее расстояние. Именно о таком характере зависимости сил отталкивания от расстояния говорит тот факт, что расчет энергии связи ионной молекулы NaCl, в котором учитывается только электростатическое взаимодействие ионов, дает хорошо согласующееся с опытом значение 5,5 эВ. Ситуация здесь аналогична распределению потенциальной энергии упругой деформации двух последовательно соединенных пружин разной жесткости: в основном энергию запасает менее жесткая пружина, т. е. та, у которой меньше коэффициент жесткости к. Это обстоятельство позволяет считать ионы твердыми шарами определенного радиуса.
Ковалентная связь. Ионная связь, возникающая в результате перехода одного или нескольких электронов от одного атома к другому, характерна для соединений, в которых участвуют химические элементы из противоположных концов периода системы Менделеева. Ковалентная связь возникает вследствие обобществления атомами одного или нескольких электронов и характерна для одинаковых или близких по своим химическим свойствам атомов.
В простейшем виде ковалентная связь реализуется в молекулярном ионе водорода Н?, в котором оба протона имеют всего один общий электрон. Электростатическое отталкивание протонов стремится развалить молекулу. Но, с другой стороны, энергия связи электрона в поле двух протонов, конечно, больше, чем при наличии только одного протона. При определенном расстоянии между протонами (0,1 нм) второй фактор оказывается более существенным, что обеспечивает устойчивость такой системы. Для удаления одного из протонов и образования атома водорода в основном состоянии требуется энергия 2,55 эВ. Еще прочнее оказывается ковалентная связь в нейтральной молекуле водорода (4,48 эВ), где она образуется двумя электронами.
