![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
- •Теория квантовых переходов. Общее выражение для вероятности перехода из одного состояния в другое
- •Внезапное изменение взаимодействия
- •Переходы под действием периодического возмущения
- •Поглощение и излучение света. Вероятность перехода.
- •Спонтанное и индуцированное излучение. Коэффициенты Эйнштейна.
- •Время жизни возбужденного состояния атома
- •Принцип соответствия
- •Правило отбора для гармонического осциллятора. Интенсивность излучения
- •Правило отбора для оптических электронов в атоме
- •Релятивистская квантовая механика Элементарные частицы в квантовой механике. Уравнение Клейна-Гордона. Релятивистское уравнение для частицы с нулевым спином
- •Уравнение Дирака
- •Решение уравнения Дирака для свободных частиц
- •Состояния с отрицательной энергией. Понятие об электронно-позитронном вакууме
- •Момент количества движения электрона в теории Дирака. Спин. Полный момент импульса. Шаровые спиноры.
- •Релятивистские поправки к движению электрона в электромагнитном поле. Уравнение Паули. Спиновый магнитный момент
- •Атом водорода с учетом спина электрона. Энергетические уровни. Правила отбора с учетом спина электрона. Тонкая и сверхтонкая структура
- •Ковариантная форма уравнения Дирака
- •Зарядовое сопряжение. Частицы и античастицы
- •Уравнения Дирака для частицы с нулевой массой покоя. Нейтрино. Спиральность и инвариантность нейтрино относительно операции комбинированной инверсии. Срт- инвариантность.
- •Атом во внешнем магнитном поле. Нормальный и аномальный эффекты Зеемана.
- •Атом во внешнем электрическом поле. Эффект Штарка.
- •Квантовые системы, состоящие из одинаковых частиц
- •Симметричные и антисимметричные волновые функции. Схемы Юнга.
- •Теория основного состояния атомов с двумя электронами
- •Возбужденные состояния атома гелия. Орто- и парагелий
- •Вариационный метод Ритца
- •Метод самосогласованного поля Хартри — Фока
- •Адиабатическое приближение
- •Основные виды химической связи
- •Молекула водорода.
- •Теория валентности
- •Силы Ван-дер-Ваальса.
- •Энергетические уровни двух-атомных молекул.
- •Теория упругого рассеяния
Теория валентности
Под химической валентностью
понимается свойство атомов одного
элемента, соединяющегося с определённым
числом атомов другого элемента. Первым
успехом в области химических свойств
атомов явилось объяснение гетерополярных
химических соединений (теория Косселя).
Согласно ей, численная величина
валентности для гетерополярных молекул
определяется числом электронов, которые
атом отдает другому атому (+) или получает
от него(-). При образовании молекулы
электрон во внешних слоях перераспределяется,
таким образом, что валентности атома
насыщаются. Дальнейшим успехом квантовой
теории является теория Гайтлера-Лондона.
С её помощью удалось объяснить образование
простейших гомеополярных молекул
,
что и было положено в основу современных
представлениях о ковалентной связи.
Согласно этой теории для образовании
устойчивой молекулы необходимо, чтобы
спины атомов были антипараллельны. В
этом случае координатная часть ВФ
молекулы
является симметричной функцией. В точке
плотность электрических зарядов
электронов
принимает
максимальное значение, что приводит к
взаимному сближению ядер из-за их
притяжению к электронному облаку,
находящемуся между ними. Таким образом
можно сказать, что при образовании
гомеополярной молекулы водорода имеет
место взаимная компенсация спинов
валентных электронов. Расчет молекулы
водорода позволяет сделать вывод о том,
что каждой валентности в химическом
соединении отвечает пара электронов с
антипараллельными спинами, связанные
между собой обменным взаимодействием.
Отсюда следует, что ответственность
за химические свойства атомов неспаренные
внешние электроны находятся в незаполненных
оболочках. Валентность атома определяется
числом таких неспаренных электронов.
Причина образования гомеополярных
химических соединений - эти электроны
коллективны, т.е. не могут более считаться
принадлежащими данному атому. Конфигурация
незаполненных состояний видоизменяется
так, что оно приближенно к заполненной
структуре. Другими словами, электроны
спариваются так, что спины всех электронов
в молекуле стремятся взаимно
компенсироваться. Устойчивые гомеополярные
молекулы имеют тенденцию к спариванию
всех электронов. У наиболее устойчивых
молекул спины всех электронов спарены
(
).
Бор:
Основное состояние:
-
нескомпенсировнными остаются лишь спин
электрона. Следовательно валентность
этого атома в основном состоянии равна
единице. Однако возможно возбужденное
состояние:
– трёхвалентный.
Таким образом, просто объясняется наличие различных валентностей у элементов периодической системы.
Азот:
-
в основном состоянии трёхвалентный. Но
он может быть и одновалентен, может быть
и пятивалентен (удаление одного электрона
с
оболочки). Инертные газы, в принципе, не
должны вступать ни в какие химические
реакции
,
т.к. спины должны быть полностью
скомпенсированы. Однако в 1962 году были
открыты соединения, включающие инертный
газ ксенон:
.
Появление гомеополярной валентности
равной 2,4,6,8 у инертных газов обусловлена
тем, что энергия связи молекул разрывает
спин-спиновую связь электронов внешней
оболочки. Ковалентное взаимодействие
обладает двум важными свойствами:
Свойство насыщения
Свойство пространственной направленности.
Первое легко объяснить на
невозможности образования молекулы
.
Действительно два электрона молекулы
образовывает ковалентную связь в
синглетном спиновом состоянии, также
является спаренными электронами и
потому присоединение третьего атома
приводит к тому, что в этом случае
невозможно скомпенсировать полный
спин→ возникают силы отталкивания.
Второе можно понять на
простейшем примере: атом азота в основном
состоянии имеет конфигурацию
.
Четыре электрона, находящиеся в
и
оболочках попарно спарены и не участвуют
в образовании химических связей. Оболочка
имеет три разных координатных состояний:
.
Три электрона по одному в каждом из этих
состояний являются валентными электронами.
Угловое распределение этих электронов
определяется квадратами модулей ВФ,
нормированных на сфере
Можно убедиться, что в
направлении z
наблюдаемые максимальные вероятности
пространственного распределения
электронов в этих состояниях образуют
между собой прямые углы. Естественно,
направления химических связей,
образованных этими электронами, также
образуют прямые углы: так как при
сближении атомов в этих направлениях
ВФ перекрывается наиболее сильно. Опыт
показывает, что молекула
имеет пирамидальное строение:
При
этом углы между направлениями
образуют углы
.
Больше чем
можно
объяснить тем, что между
существует отталкивание. В заключении
отметим, что строгое разделение химических
связей на гомеополярную и гетерополярную
невозможно. Оба этих типа связи
соответствуют 2 крайним случаям
распределения электронной плотности
в незаполненных слоях. В случае
ассиметричного распределения плотности
между атомами соответствуют гетерополярным
молекулам (которые можно рассматривать
как ионные образования). Случай крайней
асимметрии распределения электронной
плотности соответствует гомеополярной
связи - дипольный момент равен нулю.
Водород может обладать отрицательной
ионной валентностью, если при образовании
присоединяется ещё один электрон и
дипольный момент будет отличен от нуля.
Как видно из сказанного, квантовая
теория даёт объяснение и образование
химических связей и включает оба типа
связей в единую схему.