Молекулярный ион

Ковалентная связь

Ионная связь

Ионная связь осуществляется благодаря электростатическому взаимодействию ионов, которые образуются при переходе одного или нескольких электронов от одного атома к другому. Ионными молекулами являются NaCl, LiF, KJ и другие. А так как они состоят из ионов, атомы которых существенно различающимися свойствами, то связь между ними называется ионной или гетерополярной.

На примере молекулы LiF проиллюстрируем процесс образования ионной молекулы из атомов.

Для существования устойчивой системы, какой является молекула, необходимо, чтобы суммарная энергия Е молекулы LiF, состоящей из ионов Li⁺ и F^-, была меньше суммарной энергии Е₀ нейтральных атомов лития и фтора в свободном состоянии. В грубом приближении разность Е₁ – Е₀ можно выразить через энергию ионизации атома Li (E_и=5,4 эВ) и сродство к электрону атома фтора (Е_с=3,6 эВ).

(1)

Зависимость энергии ∆E от расстояния R между ионами Li⁺ и F^- в молекуле LiF показана на рисунке 1:

Оказывается, что энергия ∆E минимальна при значении R₀=1.5*10^{-10 м, что соответствует равновесному значению длины химической связи в молекуле} LiF.

На меньших расстояниях R (R<R₀) энергия ∆E резко возрастает из-за отталкивания внутренних электронных оболочек ионов Li⁺ и F^-, которое возникает вследствие перекрытия волновых функций электронов Li⁺ и F^- (обменные квантово-механические силы).

Энергия диссоциации D молекулы на отдельные атомы определяется значением энергии ∆E в точке минимума. Для молекулы LiF:

(2)

Ковалентная, или гомеополярная связь возникает при обобществлении электрона или электронных пар, находящихся одновременно у двух одинаковых атомов или атомов с близкими свойствами.

Атомы в таких молекулах могут быть соединены одинарной (H₂, H₃C – CH₃), двойной (H₂C = CH₂) или тройной (N₂, C₂H₂) ковалентной связью.

При образовании таких молекул возникает деформация внешних электронных оболочек исходных атомов, а также происходит перекрытие этих оболочек по линии, соединяющей центры атомных ядер.

На некотором расстоянии между ядрами силы притяжения уравновешиваются силами отталкивания, т.е. образуется устойчивая система атомов (молекула), обладающая минимумом внутренней энергии.

Рассмотрим особенности образования ковалентной связи на примере простейших двухатомных систем – молекулярного иона и молекулы водорода H₂.

Данный ион состоит из двух протонов H⁺ и одного электрона, который образует электронное облако вокруг двух протонов, расположенных на некотором расстоянии R. Полная энергия иона (см. рис. 2) равна сумме кинетической энергии электрона (протоны считаются неподвижными) и потенциальной энергии взаимодействия протонов H⁺ между собой и движущимся электроном:

(3)

Два первых слагаемых в формуле (3) определяют энергию притяжения электрона протонами, третье – энергию отталкивания ядер.

На рисунке 3 схематично представлена зависимость энергии E₀=f(R) для основного состояния электрона в ионе:

В области значений R>R₀ преобладают силы притяжения, обусловленные обменными квантово-механическими силами взаимодействия протонов через посредство электрона, который находится преимущественно в области между протонами. При R<R₀ ядра отталкиваются друг от друга.

Каждое возбужденное состояние электрона характеризуется определенным равновесным расстоянием R₀ и соответствующей энергией диссоциации иона:

(4)

Молекула водорода H₂

В молекуле водорода, как и в молекулярном ионе, осуществляется ковалентная связь, однако, она образуется с помощью двух электронов. Потенциальную энергию молекулы рассчитывают по формуле:

(5)

Эта энергия зависит от всех взаимных расстояний между электронами и протонами (,).