Понятие о химической связи и валентности

Свойства системы одинаковых тождественных частиц проявляются в фундаментальном принципе квантовой механики - принципенеразличимости тождественных частиц. В квантовой механике для микрочастиц возможно лишь определить вероятность нахождения частицы в окрестностях той или иной точки пространства. Если же волновые функции двух тождественных частиц в пространстве перекрываются, то можно говорить лишь о вероятности нахождения в данной области одной из тождественных частиц. Т.о. в квантовой механике тождественные частицы полностью теряют свою индивидуальность и становятся неразличимыми. Ковалентная связь объясняется на основе принципа неразличимости тождественных частиц, например электронов в молекуле водорода. Неразличимость частиц приводит к специфическому взаимодействию между ними, называемому обменным взаимодействием. Это взаимодействие можно объяснить тем, что электрон каждого из атомов молекулы проводит некоторое время у ядра другого атома и, следовательно, осуществляется связь обоих атомов, образующих молекулу. При сближении двух водородных атомов до расстояния порядка боровского радиуса возникает их взаимное притяжение и образуется устойчивая молекула водорода, рис.57.

Молекула водорода является квантовой системой, она описывается уравнением Шредингера, учитывающим движение электрона в молекуле, колебание атомов в молекуле, вращение молекулы. Решение этого уравнения - очень сложная задача, которая обычно разбивается на две: для электронов и ядер. Энергия молекулы определяется: , где члены этого выражения определяют:

· энергию движения электронов относительно ядер;

· энергию колебания ядер (в результате которого периодически изменяется относительное положение ядер);

· энергию вращения ядер (в результате которого периодически изменяется ориентация молекулы в пространстве). Величины этих энергий относятся: , где масса электрона, M - порядок массы ядер атомов в молекуле. Отсюда: .

Каждая из энергий квантуется, ей соответствует набор дискретных уровней энергии. Из теории и эксперимента следует, что расстояние между вращательными уровнями энергии гораздо меньше чем между колебательными. А расстояние между колебательными уровнями гораздо меньше, чем между электронными.

Что касается валентности, то ее можно определить следующим образом: Валентность - это способность атома отдавать или приобретать часть электронов внешних электронных оболочек (валентных электронов). В случае ионной связи - это число отданных или присоединенных атомом электронов. В случае ковалентной связи валентность равна числу обобществленных электронов.

Молекулярные спектры

Свойства энергетических уровней молекул проявляется в молекулярных спектрах - спектрах, возникающих при квантовых переходах между уровнями энергии молекул, рис.58. Спектр излучения молекулы определяется структурой ее энергетических уровней и соответствующими правилами отбора. Изменение квантовых чисел, соответствующих колебательному и вращательному движению должно равняться единице со знаком плюс или минус. При разных типах переходов между уровнями возникают различные типы молекулярных спектров. Частоты спектральных линий, испускаемых молекулами, могут соответствовать переходам с одного электронного уровня на другой - электронные спектры, или с одного колебательного (вращательного) уровня на другой - колебательные (вращательные) спектры. Кроме того, возможны и переходы между различного типа уровнями, в результате чего возникают электронно-колебательные и колебательно-вращательные спектры.