Квантово-механическое рассмотрение химической связи

             Получить ответ, удовлетворительно объясняющий природу и механизм химической связи, оказалось возможным только после появления квантово-механической теории строения атома, так как при образовании связи проявляются специфические для микрообъектов свойства электронов.

С точки зрения квантовой механики при образовании химической связи между атомами их электронные орбитали перекрываются. В результате в межъядерной области создается повышенная электронная плотность по сравнению с электронной плотностью в изолированных атомах, которая как бы стягивает ядра в единую устойчивую систему.

В силу особенностей электронных состояний между ядрами может образовываться не повышение электронной плотности, а, наоборот, уменьшение ее до нуля. В этом случае химическая связь не образуется.

            Причины устойчивости многоатомной частицы заключается в понижении энергии при ее образовании. Рассмотрим, например, изменение энергии при сближении двух атомов водорода, находящихся на бесконечно большом расстоянии (r=¥) друг от друга. Потенциальную энергию при r=¥ примем равной нулю.

            Рассматриваемая система состоит из двух протонов и двух электронов. Между частицами возникает два типа сил: силы отталкивания между электронами двух атомов и протонами атомов и силы притяжения между протонами и электронами.

            Если спины электронов антипараллельны, то при сближении атомов происходит уменьшение потенциальной энергии системы и при  силы притяжения становятся равными силам отталкивания, а энергия системы принимает свое минимальное значение . При дальнейшем сближении атомов силы отталкивания будут больше сил притяжения и потенциальная энергия системы начинает резко возрастать. Графическая зависимость потенциальной энергии системы из двух атомов водорода от межъядерного расстояния, называемая ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ КРИВОЙ.

            Таким образом, при сближении двух атомов водорода с электронами, обладающими антипараллельными спинами, на расстояние  система имеет минимальную энергию и, следовательно, в этом случае образуется устойчивая химическая связь.

            В случае, когда спины параллельны, квантово-механические расчеты по уравнению Шредингера показывают, что потенциальная энергия системы при любом расстоянии между сближающимися атомами больше, чем сумма энергий двух отдельных атомов и образование химической связи невозможно. Потенциальная кривая в данном случае выглядит иначе.

            В заключение отметим, что в рамках нашей модели ядро атома не закрепляется неподвижно в точке 0. Оно колеблется между точками  и . В реальной же двухядерной молекуле колеблются оба ядра, достигая определенных предельных состояний. Молекулы все время как бы растягиваются и сжимаются. При этом  — среднее расстояние между ядрами, а  — минимальная энергия молекулы с учетом колебания ядер.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector