Лекция n 9 § 3. Молекула

Молекула состоит из атомов, связанных друг с другом за счет валентных электронов. Квантовая механика позволяет выяснить физическую природу этой химической связи.

Молекула представляет собой связанную систему ядер и электронов, между которыми действуют электростатические силы. Кроме электростатических сил в квантово-механическом рассмотрении молекулы необходимо учитывать принцип Паули, который приводит к существованию дополнительного обменного взаимодействия.

Различают два типа связи в молекулах: ковалентную и полярную.

Ковалентная (гомеополярная) связь осуществляется за счет обобществления электронов, принадлежащих двум атомам.

Простейшей молекулой с ковалентной связью является молекула водорода. В 1927 г. немецкие физики Гайтлер и Лондон решили уравнение Шредингера для системы, состоящей из двух протонов (ядра атома водорода) и двух электронов. Оказалось, что энергия E молекулы водорода по разному зависит от расстояния r между ядрами для случаев параллельной и антипараллельной ориентации спинов электронов. График этой зависимости приведен на рисунке 9.2, из которого видно, что связанное состояние с E < 0 возможно лишь при антипараллельной ориентации спинов.

Рис. 9.2

За начало отсчета энергии молекулы E на графике принята энергия двух изолированных атомов. При r = r₀ график с антипараллельными спинами имеет минимум, определяющий равновесное положение ядер в молекуле водорода. Электроны большую часть времени проводят между ядрами, таким образом, положительные ядра притягиваются к отрицательному "электронному облаку".

Ионная (гетерополярная) связь обусловлена переходом валентных электронов с одного атома на другой с образованием положительных и отрицательных ионов с электростатическим притяжением между ними.

Характерный пример ионной связи - NaCl (поваренная соль). Такого типа связь будет и у NaF. На схеме заполнения электронных состояний, приведенной в § 2 настоящей лекции (рис. 9.1) видно, что у фтора (F) не заполнено одно квантовое состояние 2p, а у натрия (Na) один валентный электрон находится в состоянии 3s, где он сравнительно слабо связан со своим атомом. Этот 3s электрон натрия и переходит в 2p состояние атома фтора. Таким образом, атом Na становится положительным ионом, а атом F - отрицательным, поэтому они и притягиваются друг к другу.

Энергия изолированной молекулы может быть приближенно представлена в следующем виде:

здесь E_эл - электронная энергия, она обусловлена электронной конфигурацией в молекуле;

E_кол - энергия колебания ядер относительно центра масс молекулы;

E_вр - энергия вращения ядер относительно центра масс молекулы.

Порядки величин E_эл, E_кол и E_вр следующие:

E_эл ~ 1 ÷10 эВ;

E_кол ~ 10^-2 ÷10^-1 эВ;

E_вр ~ 10^-5 ÷10^-3 эВ.

Каждая из составляющих энергии E_эл, E_кол и E_вр квантуется. Ввиду большого различия в их величинах изобразить энергетическую схему уровней молекулы в масштабе не представляется возможным. На рисунке 9.3 изображены два электронных уровня E_эл1 и E_эл2 и система колебательных и вращательных уровней.

Рис. 9.3