Молекула водорода, квантово-механическое

Квантово-механические методы исследования строения молекул показали, что из всех существующих в природе сил для образования химической связи имеют значения силы взаимодействия электрических зарядов электронов и ядер атомов и волновые свойства электронов. Основные положения квантово-механической теории химической связи хорошо иллюстрируются на примере образования молекулы водорода из атомов [c.11]

В 1926 г. Гейзенберг и Шредингер создали механику атомных и молекулярных систем, которая получила широкое применение в атомной и молекулярной физике. Необходимое дополнение в квантовую механику внес Паули, разработавший теорию электронных спинов. Это явилось фундаментом, на котором с учетом известного правила несовместимости (запрет Паули в атоме не может быть двух электронов, обладающих 4 одинаковыми квантовыми числами) было построено учение о химических силах, в принципе позволяющее понять и описать образование химических соединений. Сначала удалось интерп )етировать устойчивость электронных оболочек атомов инертных газов, благодаря чему нашло исчерпывающее объяснение понятие электровалентной связи, лежащее в основе теории Косселя. Затем получила квантово-механическое истолкование и ковалентная связь. Гейтлером и Лондоном было показано, что связь двух атомов в молекуле водорода может быть объяснена чисто электростатическими силами, если для этого использовать квантовую механику. Силы, связывающие два атома и два электрона, возникают благодаря тому, что оба электрона имеют антипараллельные спины и с большой степенью вероятности находятся между двумя атомными ядрами насыщаемость химических связей объясняется принципом Паули. Таким образом, представления Льюиса получили исчерпывающее физическое обоснование. [c.24]

Кроме длины и энергии важными характеристиками химической связи являются насыщаемость и направленность. Однако эти свойства присущи лишь ковалентной связи. Ионная связь, природа которой обусловлена ненасыщенным и пространственно симметричным электростатическим полем центрального иона, ненасыщена и не имеет какого-либо определенного направления. Насыщаемость ковалентной связи выражается в ограничении числа валентных связей, которые может дать данный атом. Например, азот притягивает три атома водорода с образованием молекул ЫНз, молекул же МН4, ЫН5 и т. д. не существует. Согласно квантово-механическим соображениям в образовании связи могут участвовать только неспаренные электроны атома число их определяет валентность элемента. В простых случаях число неспаренных электронов в атоме находится с помощью принципа Паули и правила Гунда, в более сложных рассматривается возможность гибридизации волновых функций. Направленность связей объясняет стереохимию молекул, которая начала развиваться после того как Ле-Бель и Вант-Гофф (1874) выдвинули важнейший тезис о тетраэдрическом расположении валентностей углерода. [c.18]

Представления о механизме образования химической связи, развитые Гейтлером и Лондоном на примере молекулы водорода, были распространены и на более сложные молекулы. Ра нработаи-ная на этой основе теория химической связи получила название метода валентных связей (метод ВС). Метод ВС дал теоретическое объяснение важнейших свойств ковалентной связи, позволил понять строение большого числа молекул Хотя, как мы увидим ниже, этот метод не оказался универсальным и в ряде случаев не в состоянии правильно описать структуру и свойства молекул (см. 45), — все же он сыграл большую роль в разработке квантово-механической теории химическон связи и не потерял своего значения до настоящего времени. [c.121]

Исследование потенциалов ионизации ацетиленовых углеводородов [302] позволило установить ряд закономерностей, хорошо согласующихся с квантово-механическими представлениями о характере тройной связи. Согласно этим представлениям тройная связь образуется за счет одной пары ст-электронов и двух пар л-электронов, что обеспечивает ее большую прочность по сравнению с двойной связью. Действительно, потенциал ионизации ацетилена равен 11,46 в, т. е. на 0,84 в выше ионизационного потенциала этилена. При введении алкильных заместителей в молекулу ацетилена наблюдаются зависимости в определенной степени аналогичные тем, которые наблюдались в ряду метановых и -этиленовых углеводородов. Замещение водорода метильным радикалом приводит к заметному снижению ионизационного потенциала. Дальнейшее увеличение алкильного радикала дает значительно меньший эффект. [c.182]

Особенности строения и свойств бензола удалось полностью объяснить только после развития современной квантово-механической теории химических связей. По современным представлениям все шесть атомов углерода в молекуле бензола находятся в вр -гибридном состоянии. Каждый атом углерода образует а-связи с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода, лежащие в одной плоскости. Валентные углы между тремя а-связями равны 120°. Таким образом, все шесть атомов углерода лежат в одной плоскости, образуя правильный шестиугольник (а-скелет молекулы бензола). [c.333]

Если спиновые числа электронов в атомах противоположны по знаку, энергия взаимодействия нн отрицательна, когда расстояние Гнн между ядрами не слишком мало- (рис. 4.17, кривая 2). Атомы притягиваются и образуется химическая связь. На энергетической кривой в этом случае имеется минимум. Энергия, отвечающая минимуму энергетической кривой (рис. 4.17), равна прочности химической связи Ес. Для молекулы водорода квантово-механический расчет по методу ВС дает значение [c.169]

Квантово-механическая модель молекулы получила количественное подтверждение в экспериментальной химии, что позволило использовать метод валентных связей ( С), или электронных пар, для описания строения и энергетики более сложных молекул, образованных из атомов различных элементов периодической системы. Проведя расчет энергии химической связи в молекуле Н , Гейтлер и Лондон сделали попытку вычислить энергию присоединения к ней третьего атома водорода (Н ) + (Н) —>(Нд). Расчет показал, что этот процесс невозможен. Отсюда был сделан вывод о том, что химическая связь, возникающая в молекулах за счет появления общей пары электронов, имеет предел насыщения. Двухэлектронная химическая связь получила название ковалентной. [c.241]

Гейтлер и Лондон уже в своей первой работе рассмотрели возможности химического взаимодействия молекулы водорода с третьим атомом водорода. Квантово-механический расчет энергии взаимодействия в системе Нг + Н показал, что третий атом водорода не будет притягиваться, т.е. образование молекулы Нз энергетически невыгодно, а следовательно, невозможно. Это явилось теоретическим обоснованием насыщаемости ковалентной связи. Формальная интерпретация указанного расчета Гейтлера и Лондона и, следовательно, насыщаемости ковалентной связи сводится к тому, что присоединение третьего атома водорода к молекуле Нг невозможно, так как спин его электрона будет обязательно совпадать со спином одного из двух электронов молекулы. Поэтому между третьим атомом водорода и Нг будут действовать силы отталкивания и в результате никакого перекрывания электронных облаков не может быть. [c.74]

Гомеополярная связь обязана специфическому квантово-механическому эффекту. Весьма поучительна ошибка, допущенная в первых работах, посвященных квантово-механическому толкованию гомеополярной связи. Мы разберем ее на примере простейших гомеополярных молекул — молекул водорода Н. и иона молекулы водорода Н . [c.467]

Целью квантово-механического рассмотрения этих двух систем является прежде всего выяснение природы их прочности. При образовании молекул водорода из атомов выделяется более 100 ккал/моль, а при образовании иона молекулы водорода из атома водорода и иона водорода — около 60 ккал/моль. [c.467]

Таким образом, причина возникновения притяжения между двумя атомами водорода сводится к тому, что вследствие квантово-механического принципа суперпозиции электроны переходят с атомных на энергетически более выгодные молекулярные орбиты. Отталкивание, отвечающее состоянию и , — типичное явление, имеющее весьма большое значение в атомных процессах. Именно оно определяет свойство насыщаемости связи, энергию активации, размеры молекул и пр. [c.473]

Гейтлер и Лондон провели также квантово-механический расчет энергии взаимодействия молекулы водорода с третьим атомом водорода. Расчет показал, что третий атом не будет притягиваться, т. е. образование молекулы Нз невозможно. Так было дано теоретическое обоснование важнейшего свойства ковалентной связи - насыщаемости. Не приводя данный расчет, поясним его результат. Присоединение третьего атома к Н не происходит, поскольку условием для перекрывания электронных облаков, которое дает химическая связь, является наличие у электронов антипараллельных спинов. Спин электрона третьего атома водорода неизбежно будет совпадать по направлению со спином одного из электронов в молекуле, поэтому между третьим атомом водорода и молекулой водорода действуют силы отталкивания, подобные тем, которые появляются при сближении двух атомов водорода с параллельными спинами. [c.86]

Выход из создавшегося тупика был открыт квантово-механической моделью валентности (1927), когда В. Гейтлер и Ф. Лондон впервые описали строение молекулы водорода с позиций квантовой механики. Основным выводом из результатов этого приближенного расчета появилась уверенность в том, что химическая связь может быть однозначно определена на основе законов квантовой механики. Дальнейшее развитие этих идей и распространение их иа многоатомные молекулы привело к созданию теории валентных, или локализованных, связей. Согласно этой теории все связи в молекуле независимы друг от друга и строго локализованы в межатомных промежутках. Каждая такая связь образована двумя электронами с антипараллельными [c.263]

В 1927 г. немецкие ученые У. Гейтлер и Ф. Лондон провели квантово-механический расчет взаимодействия атомов водорода при образовании молекулы Н2. В результате приближенного решения уравнения Шредингера они вывели зависимость потенциальной энергии системы от расстояния между ядрами атомов водорода (рис. И.З). При сближении двух атомов электроны с антипараллельными спинами притягиваются одновременно двумя протонами, поэтому потенциальная энергия системы уменьшается (кривая /). При сближении двух атомов действуют не только силы притяжения, но и силы отталкивания. Два электрона отталкиваются друг от друга, то же наблюдается и для двух протонов. Силы отталкивания начинают преобладать при очень малых расстояниях между атомами. При некотором расстоянии между ядрами ло энергия системы минимальна. Система становится наиболее устойчивой, возникает химическая связь и образуется молекула водорода. Например, в молекуле водорода Го = 0,074 нм. При сближении атомов, у электронов которых спины параллельны, наблюдается только их отталкивание, и энергия системы возрастает (кривая 2). Квантово-механические расчеты показывают, что электронная плотность в системе при взаимодействии двух атомов водорода, имеющих антипараллельные спины электронов, максимальна в области, лежащей между ядрами. [c.36]

Валентность и предел насыщения. Используя рассмотренный выше квантово-механический способ расчета, Гейтлер И Лондон вычислили значения энергии химической связи и равновесного расстояния между ядрами атомов в молекуле водорода н-н = 302,5 кДж Гд-= = 0,090 нм. Экспериментально определенные значения Бн-н = 457,3 кДж и 0 = 0,074116 нм хотя и отличаются [c.239]

Результаты квантово-механического расчета молекулы водорода методом валентных связей с использованием различного числа волновых функций показывают, что точность повышается при увеличении числа членов в сумме (IV. 16). Главные положения МВС можно сформулировать так 1) ковалентную связь образуют два электрона с антипараллельными спинами 2) при образовании ковалентной связи происходит перекрывание волновых функций электронов и между взаимодействующими атомами увеличивается плотность электронного облака (15—20%), что приводит к уменьшению энергии системы 3) ковалентная связь направлена в сторону максимального перекрытия электронных облаков взаимодействующих атомов (критерий наибольшего перекрывания). [c.71]

В соответствии с приведенными в разделе 3.1.1 и работах [47, 95] данными молекулу мочевины можно рассматривать как единый квантово-механический комплекс, в котором имеют место взаимодействия смежных карбонильной и аминогрупп, а также последних между собой. Это вызвано влиянием (за счет отрицательного индукционного эффекта) электроноакцепторных атомов водорода групп ЫНг на С=0 и л-л-электронным сопряжением последней с атомом азота, увеличивающим электронодонорную способность карбонильного кислорода. По указанной причине мочевина является более эффективным акцептором, чем донором Н(В)-связей, т.е. гидрофильность пептидной связи обусловлена, главным образом, карбонильным атомом кислорода. [c.134]

Метод валентных схем появился несколько раньше метода молекулярных орбиталей. Он возник как обобщение метода, примененного в 1927 г. Гейтлером и Лондоном для расчета молекулы водорода. Этим расчетом был качественно выяснен квантово-механический смысл валентного штриха — основного символа языка химических структурных формул. Из расчета молекулы водорода, выполненного Гейтлером и Лондоном, следовало, что валентный штрих имеет смысл пары электронов с антипараллельными спинами. Волновая функция этой электронной пары обеспечивает в пространстве между двумя атомными ядрами локализацию отрицательного заряда электронов, достаточную для удержания обоих ядер на таком расстоянии, при котором имеет смысл рассматривать всю систему, образованную двумя атомами, как единую молекулу. [c.251]

В 1925 г. был заложен фундамент квантовой механики и с этого времени начался период интенсивного развития учения о химической связи. А в 1927 г. В. Гейтлер и Ф. Лондон, используя квантово-механическую теорию, вычислили энергию связи в молекуле водорода и равновесное расстояние атомов в ней. Это событие можно считать датой рождения нового раздела знания — квантовой химии. В процессе развития этого учения была создана квантово-механическая теория строения, объяснены направленность, причины возникновения кратных (двойных, тройных) связей и другие их особенности. Однако 1 оявились и разочарования. Оказалось невозможным дать точное решение задачи об энергии связен в молекуле более сложной, чем Н2, а приближенные методы приводили к результатам, существенно отличающимся от экспериментальных. И тем не менее стало ясно, что теоретическая химия находится на верном пути и количесгвенное решение проблемы химической связи является реальной целью будущего. [c.235]

В 1927 г. через год после появления статьи Шредингера, в которой было предложено его знаменитое уравнение, появилась работа Г. Гейтлера и Ф. Лондона (Германия), содержащая квантово-механический расчет молекул водорода. При построении волновой функции электронов такой молекулы они вначале предположили, что состояние электронов в молекуле не должно сильно отличаться от их состояния в составляющих молекулу атомах. [c.228]

Приведенные соотношения являются приближенными они получены на основании упрощенной квантово-механической теории двухатомных молекул. Однако для всех молекул, не содержащих атомы водорода и его изотопов, эти соотношения выполняются с точностью, не уступающей точности современных экспериментальных данных. Для водорода и его изотопов, а также для гидридов легких элементов погрешности при использовании приведенных формул становятся существенными. [c.56]

Наиболее универсальным является дисперсионное взаимодействие, проявляющееся и между неполярными молекулами и носящее квантово-механический характер. Очень грубо можно представить его на примере двух атомов водорода. Каждый атом, конечно, не имеет постоянного дипольного момента, но если зафиксировать в какой-то момент времени положение электрона, то он окажется смещенным по отношению к протону, а весь атом — обладающим мгновенным дипольным моментом. При сближении двух атомов возникает синхронизация в движении электронов, так что мгновенные дипольные моменты начинают взаимодействовать друг с другом. Дисперсионные взаимодействия являются определяющими при растворении насыщенных углеводородов в углеводородных или метилсилоксановых неподвижных фазах, а также при их адсорбции на углеродных адсорбентах. [c.33]

Метод валентных связей (МВС). Начало квантовой химии было положено немецкими учеными Гейтлером и Лондоном, которые в 1927 г. опубликовали квантово-механический расчет молекулы водорода. Впервые было дано научное обоснование электронной пары Льюиса, ответственной за ковалентную связь. В дальнейшем метод Гейтлера — Лондона получил развитие в трудах Слейтера, Ван Флека и особенно Полинга и был назван методом вгшентных связей (МВС) или локализованных электронных пар. [c.67]

В ряде работ [72—74] образование связей между молекулами адсорбата и поверхностью адсорбента рассматривается в свете представлений квантовой механики. Однако развитие квантово-механической теории адсорбционных связей затруднено из-за отсутствия прямых экспериментальных данных. Так, до сих пор не известны ни длины адсорбционных связей, ни такие полосы поглощения в ИК-спектрах, которые можно было бы приписать этим связям. Отсутствие таких полос, по-видимому, объясняется тем, что адсорбционные связи слишком слабы или распределены по многим центрам и поэтому не могут заметно поглощать в доступной области длин волн. Удачным исключением, по-видимому, является наблюдаемая при адсорбции водорода на платине слабая полоса при 4,7 мкм, приписываемая связи Н—Р1 [75]. [c.432]

Дри сближении же атомов водорода, у которых спины электронов параллелыш ХиЛ >. проявляется только отталкивание. Следовательно, церекрывание атомных орбиталей не происходит и молекула не образуется. Химическую связь, образованную в результате обобщения (перекрывания) электронной плотности, взаимодействующих атомов называется ковалентной (по Льюису ковалентная связь образуется за счет обобп1е-ния электронов). В настоящее время существует два подхода, используемые для объяснения ковалентной связи метод валентных схем (ВС) и метод молекулярных орбиталей (МО). Представление Льюиса о связи посредством пары электронов находит квантово-механическое выражение в теории валентных связей. Как и МО, теория валентных связей является приближенным методом. Однако ее исходные положения [c.13]

В некоторых молекулярных превращениях заметно влияние идентичности молекул, действующих друг на друга. В качестве примера можно привести разложение ацетальдегида в газообразном состоянии [231]. Это — бимолекулярная реакция, и разложение зависит от соударения между двумя молекулами альдегида. Соударения с молекулами водорода или азота также вызывают разложение, но они значительно менее эффективны, чем соударения между одинаковыми молекулами. Квантово-механическое объяснение этого факта предполагает существование особого вида резонанса, при котором происходит заметное связывание двух атомов на расстояниях, значительно больших, чем обыкновенный молекулярный диаметр [229]. [c.188]

Мы покажем, что это положение не только не обосновано, но противоречит как квантово-механическим уравнениям, так и известным экспериментальным данным. Мы не будем разбирать здесь этот вопрос в общем виде и со всеми деталями. Ограничимся рассмотрением простейшего примера — молекулы водорода Нг, — который послужил исходным пунктом для развития метода валентных схем после известной работы Гайтлера и Лондона. [c.49]

Взаимодействие между обоими соединенными в молекулу атомами водорода называют квантово-механическим резонансом. Это взаимодействие соответствует известному взаимодействию двух связанных (более Или менее свободно) аналогичных маятников. Если один из них заставить качаться, в то время как другой находится в состоянии покоя, то постепенно движение первого передается второму. Наконец, второй начинает колебаться с полной амплитудой и теперь уже в покое первый. Затем процесс идет в обратную сторону и т. д. Следовательно, между связанными маятниками происходит непрерывный обмен энергией. То же относится к двум атомам Н, связанным посредством одного или двух электронов. Они непрерывно обмениваются своим электроном (в случае иона HJ) или обоими электронами (в случае молекулы [c.156]

Причина отклонения от теоремы равнораспределения состоит в отличии точных квантово-механических выражений для сумм по состояниям от приближенных, вытекающих из классической механики. Совнадеиие наблюдается только при достаточно высоких температурах 7 (Ае/к). (Здесь Де — расстояние между соседними уровнями энергии.) Для поступательного движения это выполняется практически всегда, для вращательного движения молекул в целом ограничения возникают только для таких легких молекул, как водород при низких температурах, тогда как для колебаний двухатомных молекул это условие выполняется только при высоких температурах. [c.227]

Причины образования связи между атомами удалось установить лишь с помсАцью квантовой механики. В 1927 г. (через год после опубликования уравнения Шредингера) появилась работа физиков Гейтлера и Лондона (Германия), посвященная квантовомеханическому расчету молекулы водорода. Эта работа положила начало применению квантовой механики для решения химических проблем. Так возникла новая область науки - квантовая химия, решающая химические проблемы с помощью квантовой механики. Кратко рассмотрим принципы квантово-механических расчетов в химии. [c.79]

Квантово-механическая модель молекулы водорода. Точное значение энергии молекулы, состоящей из N атомов и п электронов в них, может быть определено лишь путем решения уравнения Шредингера (18.17). Однако, как уже отмечалось, возможность такого решения резко убывает с увеличением числа частиц (электронов и ядер), образующих соединение. Применив метод квантовой механики, Гейтлер и Лондон нашли приближенное решение уравнения Шредингера для молекулы причем приближенную волновую функцию электронов в молекуле г1)во получили из 15-функций изолированных и г1)(,-атомон водорода [c.236]

Н2О2. В молекуле перекиси водорода, состоящей из двух групп ОН, соединенных связью О — О, имеет место заторможенное внутреннее вращение вокруг этой связи. Пенни и Сезер-ленд [3218] на основании квантово-механических расчетов показали, что стабильной конфигурации Н2О2 соответствует расположение связей О — Н в двух плоскостях (гош-конфи-гурация), угол ф между которыми близок по величине к углу О — О — Ни равен примерно [c.206]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология