Задания

1. Постройте модель электронной оболочки для атома водорода (Z=1) с различными значениями n, l и m. Постройте аналогичные модели электронной оболочки 1s для атома гелия (Z=2), сравните относительные размеры.

2. Постройте модель электронной оболочки атома бора (Z=5), опишите форму и расположение электронных облаков для различных значений магнитного квантового числа (-1, 0, 1).

3. Определите электронную формулу и постройте модель электронной оболочки атома алюминия (Z=13), опишите форму и расположение электронных облаков. Включите сечение модели для более детального описания модели.

4. Экспериментируйте с различными значениями n, l и m. Для лучшего понимания строения электронных оболочек рекомендуется их зарисовать и описать: сколько наблюдается «лепестков» при заданных значениях n, l и m? Как изменяется вытянутость «лепестков»?

Лабораторная работа №2 моделирование взаимодействия атомов и молекул

Цели работы

1. Ознакомиться с программой химического моделирования Chem 3d Pro.

2. Смоделировать молекулы предложенных веществ, определить особенности и энергию межмолекулярных связей различных типов

Теоретическая часть

Взаимодействие атомов в конденсированном состоянии

Существование определенных межатомных расстояний в твердых телах предполагает равновесие сил притяжения и отталкивания, т.е. химическую связь. Характер связи, ее насыщенность и направленность определяют кристаллическое строение и свойства твердых тел. Как известно из теоретического курса, природа межатомного взаимодействия должна быть электростатической, т.е. можно предположить, что энергия притяжения обратно пропорциональна расстоянию r между атомами (U_пр~ 1/r), но механизм появления сил притяжения и отталкивания требует подробного рассмотрения. Любой отдельный атом представляет собой замкнутую систему с уравновешенными положительными и отрицательными зарядами. В целом атомы электрически нейтральны и, казалось бы, взаимодействовать не должны, но взаимодействуют.

Силы отталкивания, как производная от энергии отталкивания, имеют комплексную природу. Они обусловлены отталкиванием ядер, электронных оболочек, а также специфическими квантово-механическими силами, связанными с расщеплением электронных уровней при взаимодействии атомов. Зависимость энергии отталкивания U от расстояния между атомами может быть установлена эмпирически по объемной сжимаемости кристаллов:

,

где b и n константы, причем n принимает значения от 5 до 11 для различных материалов. Квантово-механический подход приводит к выражению иного типа

,

где аналогично формуле (1) содержатся постоянные b и ρ, но в отличие от (1) для различных материалов ρ отклоняется не более чем на 6 % от своего среднего значения. Обе формулы отражают очень резкое возрастание энергии, а следовательно, и сил отталкивания при сближении атомов.

Рис. 1. Потенциалы сил притяжения, отталкивания и их сумма

На рис. 1 показаны графики изменения потенциалов сил притяжения, отталкивания и полной энергии взаимодействия для условных атомов. Положение минимума суммарной кривой (сплошная линия) определяет равновесное расстояние между атомами r₀, а глубина минимума U₀ соответствует энергии их связи.

Принцип нахождения минимума энергии (dU/dr = 0) положен в основу моделирования химических связей методами молекулярной динамики.

Молекулярные силы притяжения

Существование жидких и твердых фаз у инертных элементов свидетельствует о существовании слабых сил связи между атомами с застроенными оболочками. Аналогичные силы действуют между молекулами с насыщенными связями. Эти силы называют силами Ван-дер-Ваальса.

а б

Рис. 2. Схема возникновения сил Ван-дер-Ваальса (а) и схема кристалла, образовавшегося в результате такого взаимодействия (б)

Механизм появления электростатических сил связан с поляризацией атомов или молекул, т.е. с разделением в пространстве их положительных и отрицательных зарядов. Поляризация может быть мгновенной – электрический диполь возникает случайно, или под воздействием поля соседнего атома (рис. 2, а); либо существует постоянный диполь, обусловленный несимметричностью строения молекул (рис. 2, б). Такое взаимодействие называют диполь-дипольным.

Межмолекулярные связи ненасыщенные и ненаправленные. Это означает, что число ближайших соседей в кристаллической структуре определяется только геометрическими факторами. Таким образом, межмолекулярные силы образую кристаллические решетки координационного типа.