Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

На рис. 12.9 представлена диаграмма энергетических уровней МО для этих четырёх молекул. Атомные энергетические уровни опущены. Молекулярный ион H₂⁺ имеет только один электрон, так что он занимает самый нижний энергетический уровень — связывающую МО. Энергия получается ниже, чем у разделённых атомов, но лишь на величину, примерно вдвое меньшую, чем у молекулы H₂, которая имеет два электрона на связывающей МО. Молекула H₂ обладает полной ковалентной связью. Говорят, что она имеет порядок связи, равный 1. Молекулярный ион H₂⁺ имеет порядок связи, равный 1/2 .

Рис. 12.9.Диаграмма энергетических уровней МО для четырёх молекул: молекулярного иона водорода H₂⁺, молекулы водорода H₂, молекулярного иона гелия He₂

⁺и молекулы He₂

Молекулярный ион He₂⁺ имеет три электрона. Первые два из них находятся на связывающей МО, но в силу принципа Паули третий электрон должен размещаться на разрыхляющей МО. Два электрона понижают энергию относительно раздельных атомов, но третий электрон повышает эту энергию. В целом имеет место уменьшение энергии. Молекулярный ион He₂⁺ существует в природе и имеет порядок связи, равный 1/2 . Как уже говорилось, молекула He₂ имеет два связывающих электрона и два разрыхляющих электрона. Связь не возникает, то есть порядок связи равен нулю. Молекулы He₂ не существует.

В табл. 12.1 содержится количественная информация об этих четырёх молекулах. В ней приводятся число связывающих электронов, число разрыхляющих электронов и итоговый результат, равный разности числа связывающих электронов и числа разрыхляющих. В таблице также приводится порядок связи. Последние две колонки особенно интересны.

Таблица 12.1.Свойства молекулярного иона водорода H₂

⁺, молекулы водорода H₂, молекулярного иона гелия He₂⁺ и молекулы He₂

Связ. электроны, Разр. электроны, Разность, Порядок связи, Длина связи, Энергия связи

H₂: 2; 0; 2; 1; 0,74A; 7,2•10^-19Дж

H₂⁺

: 1; 0; 1; 1/2 ; 1,06A; 4,2•10^-19Дж

He₂⁺: 2; 1; 1; 1/2 ; 1,08A; 5,4•10^-19Дж

He₂: 2; 2; 0; 0; Нет; Нет

Данные, приведённые в табл. 12.1, — это результаты экспериментальных измерений. Прежде всего, остановимся на длине химической связи. Она выражена в ангстремах (1 A = 10^-10 м). Молекулярный ион H₂⁺ имеет связь порядка 1/2 и длину химической связи 1,06 A. Для сравнения отметим, что молекула H₂ имеет полноценную связь порядка 1 и длину химической связи 0,74 A. Дополнительный электрон на связывающей МО в молекуле H₂ удерживает атомы крепче и потому теснее. Молекулярный ион He₂⁺

имеет связь порядка 1/2 и длину химической связи 1,08 A, которая лишь незначительно больше, чем у молекулярного иона H₂⁺. Конечно, He₂ — это не молекула и поэтому не имеет химической связи. В последнем столбце приведена энергия связи в единицах 10^-19 Дж. Интересна относительная сила связи. Молекула H₂ со связью порядка 1 имеет существенно большую энергию связи, чем два молекулярных иона, в которых порядок связи составляет 1/2 . Так простые диаграммы МО позволяют узнать, будет ли существовать связь, и дают информацию о том, насколько сильной она окажется.

В этой главе мы воспользовались представлениями о молекулярных орбиталях для рассмотрения простейших молекул. Обсуждение касалось только атомов, содержащих 1s-электроны. Все остальные атомы и молекулы содержат больше электронов и больше орбиталей. В следующей главе представленные здесь идеи будут использоваться для анализа двухатомных молекул, включающих более крупные атомы, такие как молекула кислорода O₂ и молекула азота N₂. Эти две молекулы являются основными составляющими воздуха, которым мы дышим.

13. Что удерживает атомы вместе: двухатомные молекулы

Молекула водорода является двухатомной, то есть состоит лишь из двух атомов. В процессе изучения водорода мы обнаружили, что атомы могут объединять свои атомные орбитали, образуя молекулярные орбитали. Нам предстоит расширить обсуждение молекулярных орбиталей, с тем чтобы понять, как из атомов образуются более сложные молекулы. Начнём мы с рассмотрения других двухатомных молекул на примере N₂, O₂, F₂ и HF. Молекулы N₂, O₂ и F₂ (азот, кислород и фтор) называются гомонуклеарными, поскольку состоят из одинаковых атомов. Молекула HF (фтороводород) — гетеронуклеарная, поскольку два её атома различны. Анализ гомонуклеарных двухатомных молекул выведет нас за рамки того, что мы узнали о молекуле водорода, которая является частным случаем. Изучение природы молекулярных орбиталей в гетеронуклеарных двухатомных молекулах — это важный шаг вперёд к пониманию многоатомных молекул, из которых состоит большинство окружающих нас молекулярных веществ — от спирта до жиров.