4.1. Физическая природа химической связи.

Хим. связь обусл. взаимодействием атомов. На больших расст. 2 атома притягиваются.

Рис. 23

r=r₀: F_отт= F_прит, U=U_min. r₀- равновесное расстояние м/у двумя вз-ми атомами. D – энергия связи, величина численно равная работе, которую нужно совершить, чтобы разорвать хим. связь в молекуле. Т.ж. значение энергии выделяется при образовании молекулы.

4.2. Типы химических связей

Все типы хим. связей обусловлены вз-ем м/у валентными е-ми в атоме. Это следует из сравнения оптич. спектров атомов и опт. спектров молекул. Разл. 2 типа хим. связи:

а) ионная связь (Na, Ca, KBr,…) кот. Обусловлена вз-ем м/у положит. и отрицат. ионами.

Рис.24.

б) ковалентная связь (H₂, O₂, HF) этот тип связи осуществляется при обобществлении валентных е двух соседних атомов (при этом спины е-в антипараллельны).

Ковал. связь имеет квант-мех. природу и в основе её объяснения лежат 2 положения:

1) волнов. природа е и его вероятностное расположение в атоме

2) принцип неразличимости тождественных частиц.

Рассмотрим образование молекулы Н₂.

Рис. 24.

При сближении двух однотипных атомов происходит обмен е-ми и перекрывание электронных облаков, а м/у эл-ми возникает обменное взаимодействие, суть которого заключается в следующем: что кажд. из е-в может принадлежать попеременно то одному, то другому ядру. Квант-мех. расчёты показывают, что если спины е антипараллельны, то обменное вз-ие приводит к притяжению.

4.3. Понятие об энергетических уровнях молекул

Полная энергия молекулы состоит из следующих составляющих Е=Е_е+Е_v+E_r. Е_е – энергия обусловленная е-ми, Е_v – колебат. энергия, Е_r – вращат. энергия.

1) Колебательные уровни.

Рассмотрим 2-х атомную молекулу, которую можно представить как гармонический осциллятор: f=-kx. Молекулу можно представить в виде пружинки. Колебания происходят с частотой ω_v= √(k/m). Такая молекула обладает потенц. энергией U=kx²/2=m_v²x²/2. d²Ψ/dx²+2m/ħ∙(E_v-m_v²x²/2)Ψ=0

Это уравнение имеет однозначное непрерывное конечное решение при значениях энергии удовлетворяющих условию E_v=(v+1/2)ħ_v , где v – колеб. квантовое число, v=0,1,2,… По правилам отбора м/у колебат. уровнями допустимы только переходы, удовл. условию Δv=±1. Возможны переходы только на соседние уровни. Наим. возможное значение E_v^min=ħ/2≠0 . Даже при абсолютном 0 колебания молекулы вне прекращаются.

2) Вращательные уровни.

Рассмотрим вращение молекулы с моментом инерции I и с угловой частотой ω_r. E_r=I_r²/2=(I_r)²/2I=M²/2I, M=ħ√(J(J+1)), J=0,1,2..., М – момент импульса. Правила отбора разрешают только те переходы, для которых ΔJ=±1. E_r= ħ²J(J+1)/2I. E=E_e + (v+1/2) ħ  + ħ ²J(J+1)/2I. Опыт и расчёты показывают, что Е_е:Е_v:E_r= 1:√(m/M): m/M, M – масса ядер, m – масса электрона. Нарисуем схему энерг. уровней молекулы. Рис.25.

4.4. Колебательный и вращательный спектр

Атомные спектры являются линейными. Спектр молекулы является полосатым. При переходе молекулы из возб. Состояния в основное будет испускаться фотон величина которого будет определяться формулой ħ=ΔE_e+ΔE_v+ΔE_r. Т.к. ΔЕ_е>>ΔЕ_v>>ΔE_r, то при слабых возб. Молекулы будут инициироваться в первые вращат. переходы, за тем колебат. и при сильных возбуждения молекулы – электронные переходы.

1) Вращательные переходы.

РИС.27. Электронная конфигурация не меняется ħ= ħ2J’’(J’+1)/2I - ħ2J’’(J’’+1)/2I. Так как ΔJ=±1, то примем J’=J+1, J’’=J ħ= ħ2/2I∙((J+1)(J+2)-J(J+1)) = ħ/2I∙(J+1)2= ħ(J+1)/I=2B(J+1). При J=0: =2B= ₁ – первая вращательная частота. =₁(J+1). Спектр будет представлять собой набор линий находящихся на одинаковом расст. др. от др. (Рис.26) . Экспериментально определяя _1, можно определить B, отсюда мом. инерции I через момент инерции равновесного расстояния м/у атомами R₀.

2) Колебательный спектр.

Т.к Δv=±1 и ΔJ=±1, то ħ=ΔE_v+ΔE_r= ħ₀v’(v’+1/2)- ħ_vv_k’’(v’’+1/2)+ ħ²J’(J’+1)/2I- ħ²J’’(J’’+1)/2I=|v’’=v,v’=v+1, J’’=J, J’=J+1|= ħ_v[(v+1)(v+3/2)-v(v+1/2)]+ ħ²/2I∙[(J+1)(J+2)-J(J+1)]. =_v=₁(J+1), k=1,2,…=J+1. Если J’’>J’, то =_v-2Bk (РИС28). Особенностью вращат. и колеб. относят связь со структурой молекулы.

1) Для изучения свойств молекул используют свойство поглощения света.

(РИС29). 2) Комбинационное рассеивание (РИС30) ħ₀+E_i=E_k+ ħ; =₀+(E_i-E_k)/ ħ=₀+_v