Home  / Публикации / Книга "Как образуется химическая связь и протекают химические реакции" / 1.3. Силы, связывающие атомы в молекулы

1.3. Силы, связывающие атомы в молекулы

Какие силы действительно удерживают  в молекуле атомы друг возле друга, если для распада молекулы на нейтральные атомы  надо нагреть газ  примерно до 4000 К? С какими основными проблемами мы сталкиваемся при попытке найти ответ на этот вопрос, который волнует химиков всего мира и по сей день?

Рассмотрим эти проблемы более детально. На основании сформулированных нами представлений о строении атома может быть предложена исключительно простая модель   молекулы    водорода    -    два    протона    (по   одному   в  каждом   ядре)   и   два электрона (рис. 1).

                                Рис 1. Простая модель молекулы водорода 

В соответствии с этой моделью положительно заряженные ядра притягивают к себе электроны, находящиеся в поле действия обоих ядер. Одновременно действуют и силы отталкивания между одноименно заряженными частицами. Из экспериментов известно, что при образовании любой связи происходит выделение энергии. Таким образом, если связь образовалась, то, следовательно, силы притяжения в молекуле должны превалировать над силами отталкивания.

Однако расчеты, выполненные на основе экспериментального определения таких параметров, как потенциал ионизации, сродство к электрону (энергия, выделяющаяся при присоединении электрона к нейтральному атому), длина связи (расстояние между центрами взаимодействующих атомов), находятся в явном противоречии с этой простой схемой. Поскольку сродство атома водорода к электрону (СЭ) равно 72 кДж/моль,    то энергия преодоления сил притяжения электронов ядрами не должна превышать 2СЭ, т.е. 144 кДж/моль. Однако для того чтобы разрушить молекулу водорода, нужно затратить энергию равную 432 кДж/моль. Эти расхождения между расчетом   и экспериментом в действительности будут еще больше, если учесть силы отталкивания между ядрами.
Из экспериментов по измерению ковалентного радиуса известно, что расстояние между двумя ядрами в молекуле водорода равно 0,068 нм. С учетом этого расстояния силы отталкивания ядер (кулоновское взаимодействие) составят 1877 кДж/моль. При образовании молекулы водорода необходимо преодолеть эти силы отталкивания. В соответствии с теоремой вириала, энергия, необходимая для разрушения молекулы   водорода,   должна   быть    равна    половине     потенциальной   энергии,   т.е.  1877:2 ≈ 939 кДж/моль. Таким образом, при образовании молекулы водорода выигрыш в энергии составит 939 + 432 = 1371 кДж/моль, тогда как из модели (см. рис.1) следует, что максимальный выигрыш энергии равен 144 кДж/моль, что составляет всего 10,5% от экспериментально найденного. Таким образом, можно сделать вывод, что по этой модели химическая связь  в молекуле водорода не может образоваться. Мы снова не получили ответа на вопрос: Какие же силы удерживают атомы в молекуле?

Серьезные противоречия возникают, при попытке найти ответ на следующий вопрос: Каким образом энергия, соответствующая разрыву связи, передается молекуле?

Как уже отмечалось, для разрыва химической связи нужно сообщить энергию системе. Если предположить, что энергия связи соизмерима с энергией электронов,  то следует ожидать изменения их энергии, как при возникновении молекулы, так и при ее разрушении. Даже такое простое объяснение находится в противоречии с экспериментальными данными.

Экспериментально найденная энергия связи в молекуле водорода равна 432 кДж/моль. Следовательно, при разрыве связи, т.е. при затрате такого количества энергии, энергия электронов в атомах должна увеличиться на 432 кДж/моль. Однако в соответствии со спектральными данными атомов, электроны могут поглощать порцию энергии только более 1000 кДж/моль (~166 ^. 10^-23 кДж/электрон). Кроме того, некоторые экспериментальные факты не только не получают объяснения в рамках электростатической модели, но и находятся с ней в явном противоречии. Например, химическая связь, как правило, образуется с участием двух электронов. Если электроны действительно объединяются, то почему всегда 2 (не 1 и не 3)? Далее, все электростатические характеристики атомов (ППИ, электроотрицательность, сродство к электрону) возрастают по периоду слева направо (т.е. от первой группы Периодической системы элементов), тогда как зависимость энергии связи  М-М (где М - любой элемент) от первого потенциала ионизации, найденная экспериментально, в том же направлении проходит через максимум. Причем максимальное значение вершины параболы, как правило, приходится на середину периода. В то же время длина связи по периоду уменьшается.

Вопрос о природе химической связи остается открытым не только с позиций химии, но и с точки зрения физики, как и вопрос о наличии некоей третьей силы.

к разделу "G-теория химической связи" →