Основные принципы взаимодействия атомов

4.1. Основные принципы взаимодействия атомов.

Взаимодействие между атомами происходит через поле. Основным полем является электрическое (электростатическое), т.к. гравитационное и магнитные поля в этом случае ничтожно малы. Рассмотрим частный случай: взаимодействие двух атомов водорода и образование молекулы водорода. Такое взаимодействие показано на рисунке 4.1. Когда атомы удалены друг от друга на большое расстояние, то силы, действующие между ними, равны нулю. При сближении двух атомов водорода между ними возникают два вида сил.

в е в

в а а

в

а

а е

Н^I H^II

Рис.4.1. Возникновение сил притяжения «а» и сил отталки–

вания «в» при сближении двух атомов водорода.

Между электронной оболочкой первого водорода Н^I и ядром второго водорода H^II, так же и между ядром H^I и оболочкой H^II возникает сила притяжения. Их обозначим буквой а. В результате притяжения двух атомов водорода энергия между ними (энергия системы из двух атомов) начинает уменьшаться. На энергетической диаграмме (рис.4.2.) это уменьшение энергии показано кривой “а”. Но наряду с притяжением между двумя атомами водорода возникают силы отталкивания, обусловленные отталкиванием как между одноименно заряженными ядрами обоих атомов водорода, так и между электронными оболочками. Эти силы отталкивания на рис.3.1. показаны стрелками и обозначены буквой “в”. В результате сил отталкивания энергия системы Н₂ будет возрастать. На рисунке 4.2. увеличение энергии системы, вызванное силами отталкивания показано кривой “в”.

Для получения реальной обобществленной картины изменение энергии системы необходима силы притяжения “а” и силы отталкивания “в”, т.е. сложить кривую “а” и кривую “в”.

При складывании сил “а” с силами “в” получаем результирующую силу “р”.

р=а+в

На графике (рис.4.2.) результирующая сила даст новую кривую “р”, показывающую характер изменения энергии системы Н₂ в процессе сближения двух атомов водорода. На этой кривой “р” имеется впадина(r₀) которую обычно называют потенциальной ямой. После точки r₀ кривая “р” резко идет вверх, т.е. энергия системы начинает стремительно возрастать. Притяжение двух атомов водорода заканчивается, когда между ними имеется расстояние r_с, соответствующее минимальному значению энергии.

Е

в

Н^I H^II

H^II

E₀ r

E p

a

Emin r₀

r_c

Рис.4.2. Изменение потенциальной энергии системы Н₂ при сближении

двух атомов.

Расстояние r_c, является расстоянием между двумя центрами двух атомов в молекуле, называют длинной связи.

Из рисунка 4.2. видно, что расстояние меньше r_c, чем сумма двух радиусов атомов водорода 2R.

r_cб

Рис.4.6.

а б

т.к. электоротрицательность хлора больше, то область перекрывания смещена в сторону. Аналогично в молекуле СО (Ес=2,5; Ео=3,5) область перекрывания смещена в сторону более электоротрицательного кислорода.

В молекулах с полярной ковалентной связью центры положительных и отрицательных зарядов не совпадают, в молекуле образуется два полюса: положительный и отрицательный. Такие молекулы называют дипольными (диполями).

Диполем называют систему, из двух равных по величине, но противоположных по знаку электрических зарядов (q) расположенных на некотором расстоянии друг от друга, называемом длиной диполя (l).

Графически дипольная молекула изображается так, как показано на рис.4.7.

q⁺ q^–

l

Рис.4.7. Схема дипольной молекулы

Степень полярности дипольных молекул характеризуется дипольным момен- том . =ql

Сделаем оценку величины дипольного момента полярной ковалентной связи. Рассмотрим такой крайний случай. Если бы область перекрывания (общая электронная пара) полностью сместилась к более электоротрицательному элементу, то заряд диполя q стал бы равен величине заряда электрона q=e=4,8*10^–10 ел.ст.ед. (1,6*10^–19Кл) При средней длине диполя l=10^–8 см величина дипольного момента следующая:

=q*l= 4,8*10^–10 * 10^–8 ел.ст.ед.*см = 4,8*10^–18 ел.ст.ед.*см

Величину 4,8*10^–18 ел.ст.ед.*см принимают за единицу измерения дипольных моментов, названную Дебаем. (Д)

1Д = 4,8*10^–18 ел.ст.ед.*см

В системе единиц СИ 1Д=0,33*10^–29 К * м. Следовательно в нашем случае =4,8Д.

Для полярной ковалентной связи величина дипольного момента лежит в интервале: