ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Сродство к электрону из "Как квантовая механика объясняет химическую связь" Экспериментально доказано, что некоторые отрицательные ионы в парах энергетически устойчивы, хотя и очень реакционноспособны. Наиболее тщательно исследованы атомы галогенов например, чтобы оторвать электрон от отрицательного иона фтора, нужно затратить энергию, равную 81 ккал/моль. [c.63] Р (г)-1-е - Р (г) 1=—81 ккал/моль. [c.63] Сродство атома к электрону играет существенную роль при образовании химической связи, так как положительное значение означает, что при приближении лишнего электрона энергия нейтрального атома понижается. Если же этот избыточный электрон принадлежит другому атому, два атома окажутся связанными в результате понижения энергии, сопровождающего такое обобществление электрона. Это и есть химическая связь. [c.64] Вернемся теперь к схеме энергетических уровней атома водорода (рис. 1.15). Нетрудно понять, что третий период должен содержать восемнадцать элементов. Три набора орбиталей Зз, Зр и 3 могут разместить восемнадцать электронов. Однако тот факт, что второй период состоит всего из восьми элементов, показывает, что валентными являются только Зх- и 3/ -орбитали. Причину этого легко понять, взглянув на рис. 2.13. Экранирование, обусловленное внутренними электронами (15-, 25- и 2р-электронами), расщепляет уровни 35-, Зр- и З -орбиталей. [c.65] Атомный номер 2 Рис. 2.14. Величины первых энергий ионизации. [c.67] В табл. 2.4 приведены орбитальные заселенности, или электронные конфигурации , и первые три потенциала ионизации для щелочноземельных элементов. На внешних (наиболее высоколежащих) орбиталях у каждого элемента находится только по два электрона,— большая часть валентных орбиталей остается незанятой. От каждого атома можно удалить по два электрона, затратив относительно небольшую энергию, но уже для последующей ионизации необходима значительно большая энергия. Каждый элемент имеет два валентных электрона, даже энергии ионизации для этих элементов близки. При переходе от бериллия (заряд ядра - -4) к радию (заряд ядра +88) первая энергия ионизации изменяется всего лишь от 215 до 122 ккал. Не удивительно, что химические свойства этих элементов очень близки — словно близкие родственники, они похожи друг на друга. [c.69] Таким образом, взяв за основу только атом водорода, мы смогли объяснить, пусть несколько упрощенно, закон периодичности, лежащий в основе периодической системы, и сделать первый шаг к нашей основной цели — пониманию природы химической связи. [c.71] Квантовая механика позволяет удовлетворительно объяснить наблюдаемые свойства отдельных атомов и ионов. К счастью, она применима также и к устойчивым агрегатам атомов, молекулам. Таким образом, квантовая механика даст возможность создать единую теорию, с помощью которой можно понять существование, устойчивость и реакции миллионов соединений, известных химикам. [c.72] Мы уже говорили о математических трудностях, которые встают на пути квантовомеханического рассмотрения многоэлектронных атомов. Вместе с тем самые простейшие молекулы оказываются намного сложнее атомов. Даже с помощью самых мощных вычислительных машин можно провести точный расчет всего лишь для нескольких десятков несложных молекул. Однако для этих простейших молекул результаты вычислений прекрасно согласуются с экспериментально измеренными энергиями и длинами связей, частотами колебаний, а также с другими данными о свойствах молекул. Поэтому с полным основанием можно говорить о пользе квантовой механики в объяснении и предсказании химических свойств. [c.72] Несмотря на то что математика по-прежнему чрезвычайно затрудняет непосредственное применение квантовой механики в расчетах, теория позволяет развить современные представления о химической связи, сделать их более корректными и глубокими. Новые концепции, хотя и имели приближенный и зачастую эмпирический характер, оказались очень полезными и навели химиков на ряд открытий. Теперь можно создать более общую теорию на единой основе, отыскать внутренние связи между определенными идеями и придать им более количественный характер. [c.72] Прежде чем перейти к изложению теории молекул, нужно выяснить, что мы понимаем под словом молекула . [c.72] Молекула — это некоторая совокупность атомов, которая обладает рядом характерных отличительных свойств. [c.72] мы не оговариваем, чпю молекула обязательно должна существовать при нормальных условиях — при комнатной температуре и давлении, равном одной атмосфере. Наше рассмотрение относится и к хорошо знакомым молекулам типа водорода Нг или двуокиси углерода СОг, и к молекулам, которые никто никогда не видел при комнатной температуре, таким, например, как газообразный ЫР или соединение инертного газа КгРа- Двухатомная молекула Ь1Р была обнаружена лишь при температуре около 1000 К, а трехатомная молекула КгРг спонтанно разлагается, когда температура поднимается хотя бы до температуры таяния льда. [c.73] Теперь, когда мы определили понятие молекулы (это определение мы дали, исходя из соображений удобства), можно перейти непосредственно к обсуждению природы химической связи. Нас интересует, почему некоторая определенная молекула не распадается и почему такая группа атомов арактеризуется своими собственными, отличительными свойствами. Полная теория связи должна уметь предсказывать, какие молекулы могут существовать, а какие не могут. Она должна также предсказывать свойства, которыми будет обладать данная молекула, включая и самое важное свойство — реак-ционноспособность по отношению к другим молекулам. Такая теория была бы в состоянии объяснить всю химию вещества и их превращения. Мы начнем изучение природы химической связи с простейших случаев — двухатомных молекул в газовой фазе. [c.74] Если осветить газообразный фтор интенсивной вспышкой света, можно получить довольно высокую концентрацию атомов фтора. Однако атомы фтора просуществуют лишь в течение доли секунды. При столкновении атомов фтора происходит рекомбинация с образованием устойчивых молекул Ра. Образуется химическая связь. [c.74] Из термодинамики известно, что химические изменения происходят самопроизвольно только тогда, когда возрастает неупорядоченность или, иначе говоря, энтропия всей Вселенной. Энтропия может расти за счет увеличения либо неупорядоченности положения, либо неупорядоченности движения. В реакции типа 3-1) неупорядоченность положения системы всегда у мень ищется, поскольку две частицы соединяются священными узами химической связи. Ясно, что, если бы каждый атом вел свое беззаботное и независимое существование, беспорядка было бы больше. Следовательно, неупорядоченность положения не должна влиять на образование химических связей. [c.74] Существует и другая возможность — повышение неупорядоченности движения, но при этом реакция должна быть экзотермической. В этом случае энергия высвобождается и распределяется между ми иадами тех хаотических движений, которые мы называем теплотой, или термической энергией. Реакция называется экзотермической, если энергия продуктов реакции ниже энергии реагирующих веществ. Таким образом, химические связи должны образовываться в результате понижения энергии системы, причем эта энергия выделяется в виде тепла. [c.75] После того как мы пришли к такому заключению, можно перейти к более детальному рассмотрению. Что вызывает понижение энергии Связано ли это с кинетической энергией или с потенциальной энергией и можем ли мы вообще, выяснить этот вопрос Оказывается, вполне можем. [c.75] Может ли при обравовании химической связи один из этих членов, Т или V, играть значительно более важную роль, чем другой член Если бы это было так, мы могли бы ограничиться рассмотрением только этого энергетического члена. [c.75] И В ХИМИИ. Таким образом, в пределах одной молекулы средняя кинетическая энергия противоположна по знаку и составляет только половину от величины средней потенциальной энергии. [c.76] Вернуться к основной статье