Home  / Публикации / Книга "Как образуется химическая связь и протекают химические реакции" / 1.4. G - теория химической связи

1.4. G - теория химической связи

Ответ на вопрос, какова же действительно физическая природа химической связи, дает G-теория.  Так эту теорию назвал  С. Дж. Хавкис (член рабочей группы Американского химического общества по вопросам образования, 1980г).

Как было отмечено, энергия водородоподобных атомов описывается уравнением (9). С увеличением заряда ядра электронная энергия атома  увеличивается пропорционально  заряду ядра. Теперь представим себе, как будет изменяться энергия системы, если мы попытаемся объединить два  ядра атомов водорода в одно ядро, а электроны будут вращаться на соответствующей орбите вокруг объединенного ядра. В действительности объединение ядер невозможно осуществить в обычных условиях, так как  при их сближении силы отталкивания, а соответственно, и потенциальная энергия

                                            Е = Z₁Z₂/R                                                 

 будут возрастать до бесконечности.

Когда объединяются два атома водорода, то получается атом гелия, энергию которого можно определить экспериментально. Теперь давайте рассчитаем выигрыш энергии в этом процессе. Согласно экспериментальным данным, потенциальная энергия атома гелия (удвоенная сумма первого и второго потенциалов ионизации) составляет 15215 кДж/моль, а двух атомов водорода (см. табл.1) 5246 кДж/моль. Таким образом, разница в энергиях, равная 15215 - 5246  ~ 9970 кДж/моль, и должна составлять выигрыш в энергии при объединении двух атомов водорода.

В табл.2 приведены данные расчета выигрыша энергии при предполагаемом объединении 3, 4, 5 и 6 атомов водорода с образованием соответственно Li, Be, В и С.  Таблица 2 

суммарный

на один атом водорода

 Потенциальную энергию рассчитывали по формуле:

                                                                                                   _n

U_эл  =  2^. ∑ ПИ_i                                             (12)

                                                                                                    ⁱ

где ПИ_i = ППИ (в данном случае = 1, 2, 6),

а выигрыш в энергии равен:

ΔU = U_эл  -nU_Н                                                       (13)

где U_H = 2623 кДж/моль - удвоенный потенциал ионизации водорода.

В чем же состоит физическая природа наблюдаемого явления - выигрыша энергии? Почему всегда энергия объединенных атомов меньше энергии первоначальных (исходных) атомов?

Выигрыш в энергии обусловлен тем, что энергия электронов в атоме пропорциональна квадрату заряда ядра. Когда ядра объединяются, электроны начинают вращаться вокруг объединенного ядра, заряд которого определяется суммой зарядов ядер каждого из объединенных атомов. Расчеты показывают, что выигрыш в энергии для системы из двух протонов и двух вращающихся вокруг них электронов без учета сил отталкивания  достигает 9970 кДж/моль.

В молекуле водорода ядра находятся на расстоянии 0,068 нм, как уже отмечалось ранее, и энергия отталкивания между одноименно заряженными частицами на таком расстоянии составляет примерно 1800 кДж/моль. Тогда с учетом отталкивания выигрыш в потенциальной энергии составит 9970 - 1800 = 8170 кДж/моль.

Молекулу водорода можно рассматривать как некий промежуточный продукт между двумя исходными атомами водорода и конечным атомом гелия, который получается при объединении ядер атомов водорода. Если каждый из электронов в атомах водорода вращается вокруг ядра с зарядом +1, а в атоме гелия оба электрона вращаются вокруг ядра с зарядом +2, то в молекуле водорода оба электрона вращаются вокруг ядра, заряд которого больше +1, но меньше +2. Соответственно выигрыш в энергии будет меньше, чем 8170/2 кДж/моль, но может быть соизмерим с  энергией связи в молекуле водорода (432 кДж/моль).

Когда молекула образовалась, электроны начинают вращаться в электрическом поле, создаваемом зарядом, который больше заряда ядра каждого из индивидуальных атомов, образующих данную молекулу. Выигрыш в энергии в процессе образования молекулы обусловлен тем, как уже отмечалось неоднократно ранее, что энергия электронов пропорциональна квадрату заряда ядра, вокруг которого вращаются электроны. Этот вклад в энергию может быть условно назван вкладом за счет концентрации положительного заряда. Второй вклад в энергию связи обусловлен сродством атомов к электрону. На рис. 2 показана зависимость сродства к электрону (Е_ср) от эффективного заряда ядра (расчетная и экспериментальная).

Рис. 2.  Зависимость сродства к электрону для водородоподобных атомов от эффективного заряда ядра:

■ -  расчетные данные; ▲ - экспериментальные данные. 

Как видно из рисунка, экспериментальные данные достаточно удовлетворительно соответствуют теоретически рассчитанным по уравнению: 

Е_ср = 2×13,6(Z_i - 0.25)² - ППИ_i                                 (14)

где Z_i = (ППИ_i/13,6)^0,5 - эффективный заряд ядра первого атома; 13,6 эВ - потенциал ионизации атома водорода, ППИ первого атома.

к разделу  Количественная оценка энергии химической связи →