Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Для ковалентной связи характерна определенная пространственная направленность и насыщаемость. У атома углерода есть четыре электрона, способных участвовать в образовании ковалентных связей. Простейший пример углеродных соединений дает молекула метана СН4, в которой пространственная направленность ковалентных
100
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
связей проявляется в том, что четыре атома водорода располагаются в вершинах правильного тетраэдра, в центре которого находится атом углерода, так что углы между всеми валентными связями одинаковы (рис. 35). Насыщенность связей проявляется в том, что больше четырех атомов водорода атом углерода присоединить не может.
В действительности в природе практически не встречается чисто ионных и чисто ковалентных связей, и можно говорить лишь о преимущественно ионном или ковалентном характере той или иной связи. Преимущественно ковалентная химическая связь характерна для таких молекул, как Н2, СО и т. д., а также для большинства органических молекул; ионная — для молекул Cs, КС1, многочисленных ионных кристаллов.
Двухатомные молекулы, состоящие из разных атомов, обладают электрическим дипольным моментом, так как у них центры положительного и отрицательного зарядов смещены относительно друг друга вдоль соединяющей ядра атомов прямой.
Взаимодействие атомов в молекуле. Рассмотрим подробнее взаимодействие образующих молекулу атомов. Несмотря на всю сложность упомянутых выше сил притяжения и отталкивания, действующих между электронами и ядрами этих атомов, можно сравнительно просто
правильного тетраэдра, или в четырех из восьми вершин куба, в центре которого находится атом углерода
феноменологически описать результирующее взаимодействие атомов в молекуле с помощью графика зависимости потенциальной энергии от расстояния между атомами.
При любой природе сил кривая потенциальной энергии двухатомной молекулы имеет характерный вид, показанный на рис. 36.
и
г
Рис. 35. Схематическая иллюстрация строения молекулы метана. Атомы водорода расположены в вершинах
Рис. 36. Зависимость потенциальной энергии взаимодействия атомов в двухатомной молекуле от расстояния между ними
§ 12. МОЛЕКУЛЫ
101
Эта кривая описывает все детали взаимодействия между атомами. Для находящихся на больших расстояниях атомов преобладает сила притяжения, причем эта сила быстро уменьшается с увеличением расстояния между ними. При сближении атомов крутизна графика (наклон касательной) увеличивается, что говорит о возрастании силы притяжения атомов. При дальнейшем сближении атомов сила притяжения начинает убывать и обращается в нуль при некотором значении г0 расстояния между ними. В этой точке потенциальная энергия имеет минимум. На расстояниях, меньших г0, результирующая сила уже имеет характер отталкивания, причем она резко возрастает при сближении атомов, о чем свидетельствует быстрый рост крутизны графика U(r) левее точки г0.
Колебания атомов в молекуле. Расстояние г0 (рис. 36) соответствует устойчивому положению равновесия атомов. На таком расстоянии друг от друга в молекуле находятся неподвижные атомы. В непосредственной окрестности точки г0 кривую U(r) можно аппроксимировать параболой, т. е. считать зависимость потенциальной энергии от смещения из этого положения квадратичной. Это означает, что движение атомов в молекуле при малых смещениях из положения равновесия, рассматриваемое на основе классической механики, представляет собой почти гармоническое колебание. Но в отличие от потенциальной энергии гармонического осциллятора потенциальная яма на графике U(r) в действительности асимметрична. Это значит, что с увеличением амплитуды колебаний они становятся ангармоническими. Ангармонизм колебаний проявляется в том, что среднее расстояние между атомами, а тем самым и средний размер молекулы, возрастает с увеличением энергии колебаний.
Глубина потенциальной ямы на рис. 36 характеризует энергию связи атомов в молекуле, т. е. энергию, необходимую для того, чтобы развести атомы и тем самым разрушить молекулу. Эта энергия определяет тепловой эффект химических реакций. При таких реакциях из молекул одного сорта образуются другие молекулы, т. е. одни химические связи разрываются, а другие возникают. Что больше — работа разрыва или работа образования новых связей? В природе мы сталкиваемся с реакциями обоих типов.
Энергия химических превращений. Тепловые эффекты реакций, т. е. результирующее выделение или поглощение энергии — это большей частью величины порядка нескольких сотен килоджоулей на моль, что составляет около одного электронвольта на одну молекулу. Например, реакция сгорания углерода (графита) с учетом выделения энергии записывается так:
С + 02 —С02 + 4,1эВ, (1)
102
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
т. е. при образовании каждой молекулы углекислого газа выделяется энергия 4,1 эВ.
С помощью таких уравнений можно найти тепловые эффекты химических превращений, для которых по тем или иным причинам не годятся прямые способы измерений. Например, если бы два атома углерода (графита) соединились с одной молекулой водорода, то образовался бы газ ацетилен:
