Что придает ковалентной связи прочность?

Вероятно, это помогает определить, что такое ковалентная связь на самом деле. Ковалентные связи возникают, когда одна или несколько атомных орбиталей (АО) участвующих атомов конструктивно взаимодействуют и образуют (связывающую) молекулярную орбиталь (МО). На рисунке ниже схематично показано формирование$\sigma_{ss}$МО, когда два атома водорода объединяются, образуя молекулу диводорода:

The $+$знаки указывают на волновые функции$1s$орбитали обоих атомов имеют одинаковый знак (фазу) (два атома с противоположными фазами образуют разрыхляющую МО, здесь не изображенную). Результирующий$\sigma_{ss}$МО представляет собой приблизительно линейную комбинацию отдельных волновых функций. Опять схематично:

МО, по Паули, всегда «содержит»$2$электроны противоположного спина. Таким образом, МО можно назвать «полным».

Справа также схематизирована плотность вероятности электрона $\psi^2$и обратите внимание, что эта плотность очень значительна на ядерной оси, между обоими ядрами . Это приводит к тому, что внутриядерная кулоновская сила отталкивания значительно уменьшается, а расположение молекул становится стабильным, а это означает, что его разделение потребует затрат энергии. Эту энергию часто называют силой связи (в$\mathrm{kJ/mole}$).

$\sigma$МО также могут возникать между различными типами АО, например$\sigma_{sp}$и$\sigma_{pp}$МО. И между$p$и$p$АО, так называемые$\pi$МО могут образовываться. Они необходимы для образования более прочных двойных связей и еще более прочных тройных связей.

Предположим, что мы говорим о двух атомах водорода, скажем$H^1$и$H^2$, и молекула (ди) водорода,$H_2$, который состоит из тех двух атомов водорода, то есть,$H^1H^2$. С одной стороны, слово «сила» прямо не упоминается в абзаце, который вы процитировали. Теперь в первом абзаце говорится:

В изолированных атомах каждый электрон притягивается и притягивает одно положительное ядро.

В наших обозначениях это читается как: между ядром и электроном есть электростатическое притяжение.$H^1$, назовем это$E^1$и существует электростатическое притяжение между ядром и электроном$H^2$, назовем это$E^2$. Кстати, для атома водорода эта энергия составляет почти ровно 13,6 эВ (на радость химикам можно сказать -13,6 эВ).

Абзац продолжается:

в молекуле каждый электрон притягивается двумя положительными ядрами.

В наших обозначениях это звучит так: при образовании молекулы электрон$H^1$притягивается двумя ядрами, назовем эту энергию$E^{12}$и электрон$H^2$притягивается двумя ядрами, назовем эту энергию$E^{21}$.

Итак, наконец, то, что утверждает ваш цитируемый абзац, заключается в том, что

Последнее замечание: вы говорите

Я отдаю себе отчет в том, что уменьшение общей энергии или увеличение стабильности определенно не является основанием для учета прочности ковалентной связи, а скорее следствием действия таких сил.

Это предложение неверно. Энергия двух атомов водорода равна$2\times13.6=27.2$ $eV$а энергия молекулы (ди)водорода примерно$31.2$ $eV$а разность которых дает энергию ковалентной связи между двумя атомами водорода, то есть примерно$4$ $eV$.

Ответ химика Герта очень хороший. Я не уверен, насколько хорошо вы знаете химию, так что я просто немного.

Самое основное понятие состоит в том, что существует два архетипа связей: ионные и ковалентные.

Для ионной связи каждый атом либо приобретает, либо теряет электроны, чтобы стать заряженным. Предполагается, что нет никакого «деления» электронов. Таким образом, для NaCl ион натрия имеет один положительный заряд, а ион хлора — один отрицательный. Можно предположить, что каждый ион представляет собой твердую сферу, поэтому расстояние между ионами равно радиусу иона натрия плюс радиус иона хлорида.

Другой базовый архетип связи — это ковалентная связь. Для этого типа связи каждый атом вносит один электрон на молекулярную орбиталь, которая может удерживать два электрона, и атомы делят электроны поровну. Вода,$H_2O$, будет примером молекулы с ковалентными связями. Чтобы еще больше расширить это, атом водорода и атом кислорода имеют орбиталь с одним электроном перед связыванием. При связывании две атомные орбитали объединяются, так что одна становится молекулярной связывающей орбиталью, а другая становится молекулярной антисвязывающей орбиталью. Два электрона переходят на молекулярную связывающую орбиталь с более низкой энергией, а антисвязывающая молекулярная орбиталь с более высокой энергией пуста.

По большей части ни одна концептуальная крайность на самом деле не существует, и связи обычно находятся между двумя крайностями.

Вам может не понравиться этот ответ, но я думаю, что по крайней мере часть любого анализа этого вопроса должна заключаться в том, чтобы бросить вызов мышлению, которое слишком сильно зависит от макроскопических представлений о силе, в частности, таких утверждений, как:

«Я осознаю, что снижение общей энергии или увеличение стабильности определенно не является причиной для учета прочности ковалентной связи, а скорее следствием действия таких сил»

На самом деле, если нужно, можно эффективно определить квантово-механическое силовое описание динамики частиц из утверждений об устойчивости от понижения энергии с помощью теоремы Эренафеста (подробнее об этом позже). Следовательно, силовое описание задач, подобных этой, весьма вторично и гарантируется теоремой Эренфеста, если имеется тщательно разработанное описание в энергетических терминах. Вот почему я призываю вас воспринимать такие описания, как « Ответ Герта» , как полный ответ на подобную проблему.

Когда кто-то доходит до квантовой механики, единственными строго значимыми с точки зрения физики вещами являются состояния системы, их унитарная временная эволюция и статистическое распределение результатов измерения, определяемое состояниями системы, преобладающими во время измерения. Понятие «сила» совершенно не нужно для этого описания по следующей причине.

Частью анализа эволюции является понимание того, что, говоря об ожидаемых (в статистическом смысле) или среднихповедения, полная энергия изолированной квантово-механической системы постоянна, и поэтому она не может спонтанно перейти на более высокий энергетический уровень, если только разница энергий не передается системе через взаимодействие с внешним миром. Следовательно, чем ниже энергия системы из двух взаимно связанных частиц по сравнению с суммой энергий двух частиц, когда они разделены, тем более маловероятно, что эти две частицы расщепятся на части — им необходимо снабдить эту разность энергий. . Конечно, они разделяются, когда температура системы молекул водорода достаточно высока: двудольные системы взаимодействуют друг с другом и обычно поглощают разницу энергий за счет столкновений с другими молекулами.$H_2$с.

Вернемся к теореме Эренфеста, которая в самом общем виде гласит:

где$\hat{H}$является гамильтонианом квантовой системы, также известным как наблюдаемая энергия, и$\hat{A}$любое другое наблюдаемое. Эту теорему легко понять на картине Гейзенберга. В нем также говорится, что среднее значение любой наблюдаемой, коммутирующей с гамильтонианом, сохраняется; тривиально, поэтому энергия сохраняется. Кроме того, если вы подключите одну частицу в потенциале$\frac{\hat{p}^2}{2\,m} + \hat{V}$в теорему вы получаете определение силы, действующей на частицу:

Таким образом, понятие «силы» возникает как следствие сохранения среднего всего, что коммутирует с гамильтонианом.

Нежное введение, ведущее к довольно полному выводу этих идей, можно найти в разделе 7.4 тома II фейнмановских лекций .