Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
- ее называют также гетерополярной - характерна для молекул, состоящих из
сильно различающихся атомов, один из которых легко отдает, а другой -
охотно присоединяет электроны. Количество атомов, объединяющихся в
молекулу под действием ионных связей, может быть и больше двух. Ионная
связь не возникает при взаимодействии одинаковых атомов и не может, в
частности, объяснить существование молекул водорода (H2), азота (N2) и
многих других газов.
Перейдем к обсуждению гомеополярно й, или, что то же, к о -валентной,
связи, ответственной за образование молекул, состоящих из одинаковых
атомов, а также очень многих других молекул.
При обсуждении гетерополярной связи нам не пришлось прибегать к квантовой
механике1. Чтобы разобраться в основных чертах явления, оказалось
достаточно использовать рассуждения, основанные па классической физике
(количественно верные результаты можно получить, конечно, только с
помощью квантовой механики). Попробуем пойти по этому пути и при
обсуждении природы ковалентной связи.
Начнем с водорода. Будем постепенно приближать протон или электрон к
атому водорода. Под действием электрического поля подносимой частицы атом
поляризуется. Если приближающаяся частица является электроном,
электронное облако атома им отталкивается, а если протоном - то
притягивается. В обоих случаях у атома возникает дипольный электрический
момент, и на подносимую частицу действует притягивающая сила, которая
сохраняет свой знак до расстояний порядка размера атома.
Образующиеся трехчастичные системы хорошо известны. Это отрицательный ион
водорода (один протон, два электрона) и ион молекулярного водорода (два
протона, один электрон). Как уже ясно из сказанного, присоединение
электрона или протона к атому водорода должно сопровождаться выделением
энергии (хотя и не таким большим, как образование самого атома водорода).
Энергия
приведенные рассуждения основываются на том, что радиус ионов задан
§51. Химическая связь. Образование молекул
265
связи дополнительного протона в молекулярном ионе равна 2,75 эВ, а
энергия образования иона Н- составляет около 0,75 эВ.
Молекулярный ион водорода может присоединить к себе еще один электрон,
образуя молекулу водорода. Этот процесс энергетически выгоден, поскольку
отрицательно заряженный электрон, конечно, притягивается к положительно
заряженному иону Щ- При этом образуется электрически нейтральная молекула
водорода Н2. Наши рассуждения не позволяют, однако, понять, когда
выделяется больше энергии: при образовании этой молекулы или при другом
возможном процессе, при котором протон отрывается от иона и
присоединяется к электрону, образуя второй - независимый от первого -
атом водорода.
Чтобы понять, какой из этих двух процессов приводит к большему выделению
энергии, нужно проанализировать процесс сближения двух нейтральных атомов
водорода и выяснить, притягиваются они или отталкиваются. Нетрудно
понять, что при сближении нейтральных атомов должно наблюдаться слабо
выраженное притяжение. В самом деле, центры тяжести положительных или
отрицательных зарядов обоих атомов можно расположить так, чтобы
притяжение разноименных зарядов оказалось больше отталкивания одноименных
(такая ситуация, например, имеет место, если расположить эти центры
тяжести по углам квадрата таким образом, чтобы одноименные заряды
находились на одной диагонали). Поскольку такое расположение приводит к
уменьшению энергии системы, она обязательно реализуется. Так возникают
силы Ван-дер-Ваальса.
Приведенное объяснение оказывается, однако, недостаточным. Прежде всего,
оно никак не выделяет двухатомные системы из более сложных, например
трех- или четырехатомных, в то время как опыт показывает, что одинаковые
атомы склонны образовывать именно двухатомные молекулы Н2, О2, N2 и т.д.
Следует также иметь в виду, что вандерваальсово притяжение очень слабо, в
то время как энергия образования двухатомных молекул отнюдь не мала. При
образовании молекулы Н2 выделяется 4,5 эВ, т. е. около 30% от энергии,
освобождающейся при образовании атома водорода, и больше, чем при
образовании молекулы поваренной соли.
Причина, которая приводит к столь сильной связи, заключается в том, что
при объединении атомов в двухатомную молекулу возникает новое явление -
обобществление атомных электронов, которые принадлежат теперь не
отдельным атомам, а всей молекуле.
Попытаемся понять природу ковалентной связи с помощью качественных
рассуждений, отложив количественное рассмотрение до следующего параграфа.
Будем сближать два атома водорода, пока их электронные оболочки не начнут
существенно перекрываться и каждый из электронов не окажется на
приблизительно одинаковом расстоянии от обоих ядер. Энергия связи
образовавшейся системы может быть найдена путем решения уравнения
Шредингера для двух электронов, находящихся в поле двух протонов.
Накопленный уже нами опыт позволяет предугадать результат, не решая и
даже не выписывая этого уравнения. Так, сразу можно сказать, что
