Ковалентная связь

Существует между электрически нейтральными ато­мами в молекуле (например Н₂, О₂, N₂, С1₂, HF, СCl₄, NH₃ и др.). Объясняется чисто квантовыми представлениями.

Ковалентная связь обладает свойством насыщения, которое выражается в наличии опре­деленной валентности атомов – числа присоединяемых атомов.

Пример: атом водорода может быть связан только с одним атомом водорода, атом углерода может связать четыре атома водорода (CH₄ – метан), азот – три атома H, не более (NH₃).

В). Понятие обменного взаимодействия

Рассмотрим две микрочастицы с полуцелым спином, состояние которых описывается волновыми функциями ψ1 и ψ2. При сближении этих частиц на расстояние порядка длины волны де Бройля волновые функции перекрываются в некоторой области пространства (квадрат волновой функции не равен нулю - рис.14-4). В этой области с равной вероятностью можно найти частицу 1 и частицу 2, т.е. они становятся неразличимыми, или тождественными. Если спины частиц параллельны, то частицы не могут подойти близко друг к другу, так как должны находиться согласно принципу Паули в разных состояниях, энергия взаимодействия такого состояния положительна и частицы отталкиваются. Если же спины частиц антипараллельны, то частицы подходят друг к другу на очень малое расстояние и могут образовать устойчивое соединение, обмениваясь между собой местами. Энергия такого соединения отрицательна (называется обменной энергией) и между частицами существуют силы притяжения (обменные силы).

Г). Образование ковалентной связи на примере молекулы водорода.

Если расстояние между атомами R велико, то атомы не взаимодействуют и полная энергия системы W равна суммарной энергии состояния атома водорода:

При сближении атомов между ними возникает взаимодействие, характеризуемое некоторой энергией ΔE, зависящей от расстоя­ния между атомами, поэтому, полная энергия E системы выразится следующим образом:

Величина ΔE вычисляется путем решения уравнения Шредингера для молекулы водорода.

Для парал­лельных спинов электронов в каждом атоме ΔE > 0, а для случая антипараллель­ных спинов ΔE <0. Поэтому два водородных атома оттал­киваются, если спины электронов параллельны, и притя­гиваются, если спины антипараллельны.

В водороде отталкивание объясняется кулоновскими силами. В других атомах отталкивание объясняется принципом Паули для электронов. Заполненные электронные оболочки атомов не могут просто проникать друг в друга, так как при взаимном проникновении на каждой из заполненных оболочек атома оказалось бы вдвое больше электронов, чем мест. При сближении атомов электроны из соприкасающихся запол­ненных оболочек «вытесняются» в более высокие энергетические состояния. Энергия системы возрастает и, сле­довательно, возникают си­лы отталкивания.

Д). Объяснение «насыщения» ковалентной связи

Рассмотрим взаимодействие молекулы водорода еще с одним атомом водорода. В молекуле водо­рода спины электронов антипараллельны (рис. 14-5), - спин электрона в атоме водорода параллелен спину одного из электронов молекулы и анти-параллелен другому. При сближении молекулы и атома возникает обменное взаимодействие.

Но обмен электрона с с электроном b привел бы к тому, что на близком расстоянии друг от друга (в пределах размеров молекулы водо­рода) оказались бы два электрона с па­раллельными спинами (а и с). Такое состояние обладает очень большой энергией, при этом возникает отталкива­ние, а не притяжение.

Обмен электрона с с электроном а тоже приводит к отталкиванию. Поэтому атом водорода связывается с одним и только одним водородным атомом. В связи участвуют два электро­на с противоположным направлением спинов. В этом и заключается свойство насыщения связи, которое в химии и называют валентностью.

Насыщение ковалентной связи

Вывод:

Для параллельных спинов дополнительный положительный вклад в энергию приводит к тому, что атому отталкиваются на любом расстоянии. Этим объясняется насыщение ковалентной связи.

Молекула водорода может состоять только из двух атомов. Третий атом водорода не может образовать связь с молекулой потому, что его спин непременно будет параллельным одному из спинов электронов в составе молекулы. Параллельность спинов приводит к отталкиванию между ядрами на любом расстоянии.

Дата добавления: 2015-06-04