Справочное руководство по физике для поступающих в вузы и для самообразования - Яворский Б.М.
Скачать (прямая ссылка):
3.2. Ионные молекулы
1°. Ионными (гетерополярными **)) называются молекулы, состоящие из противоположно заряженных ионов (111.3.1.1°) химических элементов, входящих в молекулу (молекулы с гетерополярной связью). Общая сумма положительных и отрицательных зарядов ионов в молекуле равна нулю, и поэтому ионные молекулы электрически нейтральны. Химическая связь (VI.3.1.1°) в ионных молекулах осуществляется главным образом электростатическим притяжением разноименно заряженных ионов. Типичными примерами ионных молекул являются щелочно-галоидные соли: NaCl, RbBr, CsI и др. Эти молекулы образуются при соединении атомов химических элементов первой и седьмой групп системы Менделеева (VI.2.9.Г).
2°. Образование ионных молекул определяется повышенной устойчивостью внешней восьмиэлектронной оболочки в атомах (VI.2.8.6°, таблица VI.2.2).
Рассмотрим в качестве примера образование молекулы NaCl. Атом Na, как и другие атомы металлов первой группы (VI.2.9.Г), имеет одиннадцатый валентный электрон, слабее связанный с ядром, чем внутренние 10 электронов. Для отщепления этого электрона необходима затрата энергии
*) Точнее, на кривых рисунка (VI.3.1°) изображены не силы, а их проекции на расстояние г между атомами.
**) От греческого «het.eros» — другой, иной, разный.
3.3. молекулы сковалентной химической связью 461
ионизации 5,1 эВ. Атом Cl и другие атомы этой группы имеют семь внешних валентных электронов.
Электронным сродством Еср называется количество энергии, которое выделяется, когда к атому металлоида присоединяется электрон. Для хлора ?^=3,8 эВ. Переход электрона от атома Na к атому Cl приводит к образованию ионов Na+ и Cl-. Каждый из них обладает устойчивой Внешней оболочкой (VI.2.8.6°, таблица VI.2.2).
'3°. Электростатическое притяжение ионов Na+ и Cl-"приводит к их сближению. На весьма малых расстояниях между ионами силы притяжения сменяются силами отталкивания, которые препятствуют дальнейшему сближению ионов. Эти силы вызваны главным образом отталкиванием между ядрами натрия и хлора на малых расстояниях между ними. Ионы Na+ и Cl- располагаются на равновесном расстоянии г„ друг от друга (VI.3.1.5°), соответствующем уравновешиванию сил притяжения и отталкивания. Образуется устойчивая молекула NaCl с ионной связью.
4°. Превышение энергии ионизации Na над электронным сродством хлора на 5,1 эВ—3,8 эВ=1,3 эВ означает, что переход электрона от атома Na к атому Cl требует затраты энергии. С другой стороны, при образовании молекулы выделяется энергия. При сближении ионов Na+ и Cl- выделяется энергия их электростатического притяжения. Образование ионов и их сближение происходят одновременно. Молекула NaCl образуется лишь после того, как атомы сблизятся настолько, чтобы вместе с образованием ионов выделившейся энергии хватило для создания устойчивой молекулы.
3.3. Молекулы с ковалентной химической связью
1°. Молекулы, образовавшиеся при соединении нейтральных, часто одинаковых атомов, называются атомными молекулами (молекулы с ковалентной *) или еомеополярной **) связью). Примерами таких молекул являются двухатомные молекулы типа H2, O2, N2, а также HF1 NO, NH3, CH4 и др. Ковалентная связь обладает свойством насыщения, которое выражается в определенной валентности атомов. Атом водорода может связаться только с одним другим атомом водорода. Атом углерода может связать только четыре атома водорода и т. д.
*) От латинского «valentia» — валентность. **) От греческого «homoios» — подобный, одинаковый.
Mt ОТДЕЛ VI. ГЛ. 3. СТРОЕНИЕ И СПЕКТРЫ МОЛЕКУЛ
Рис. VI.3.3
J?0. Гомеополярная связь имеет квантовомеханическуш природу. В основу ее объяснения положены:
а) волновые свойства электрона (VI. 1.1.3°) и распределение вероятности обнаружить электрон в атоме (VI.2.6.3°), в частности сферически-симметричное электронное облако в s-состояниях атомов (VI.2.7.3°);
б) принципиальная неразличимость, тождественных частиц, в частности электг ронов. Два электрона в молекуле водорода, движущиеся каждый вокруг своего ядра — протона, ничем не отличаются друг от друга. У них одинаковые заряды, массы покоя, и у обоих спины равны A/2 (VI.2.8.20).
3°. Пусть в молекуле водорода электроны обмениваются местами: электрон /, ранее принадлежащий ядру а, перейдет на место электрона 2, принадлежащего ядру б, а электрон 2 совершит обратный переход. В состоянии молекулы H2 при этом ничего не изменится, ибо электроны / и 2 неотличимы друг от друга (рис. VI.3.3).
4 . Обмен электронами в молекуле H2 может происходить при достаточном сближении ядер атомов водорода. При
этом «электронные облака» перекрываются (рис.VI.3.3), а между электронами возникает особое квантовомеханическое обменное взаимодействие. Физический смысл его состоит в том, что каждый из электронов в молекуле водорода может принадлежать попеременно то одному, то другому ядру — электроны непрерывно обмениваются местами. Иллюстрацией этого может служить непрерывный обмен мячами двух людей, находящихся поблизости друг от друга. Если люди специально не тренированы, то успешный обмен мячами возможен лишь на близком расстоянии между партнерами. 5°. Квантовомеханические расчеты показывают, что если спины обоих электронов в молекуле водорода антипаралле-
