КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ

Рассмотрим природу ковалентной связи на примере молекулы водорода Н2. Главную роль в образовании этой связи играют обменные силы, возникающие из того же самого кулоновского взаимодействия электронов и принципа Паули, учитывающего корреляцию в движении электронов, обусловленную наличием спина. Энергия связи может быть получена путем решения уравнения Шредин- гера, которое для молекулы водорода имеет два решения: симметричное относительно перестановки координат электронов (замена местами), соответствующее состоянию с антипараллельными спинами электронов, и антисимметричное, когда спины параллельны. График потенциальной энергии взаимодействия, соответствующей каждому из этих решений, показан на рис. 1.4.

Как видно из приведенного графика, образование молекулы в случае параллельных спинов невозможно. Если же спины электронов антипараллельны, то энергия имеет минимум при г = г0, что соответствует образованию молекулы водорода Н2.

На рис. 1.5 изображены симметричные (спины электронов антипараллельны) и антисимметричные (спины параллельны) координатные волновые функции электронов. Обе комбинации координатной и спиновой частей

Рис. 1.4

Потенциальная энергия взаимодействия водородных атомов при параллельных и антипарал- лельных ориентациях электронных спинов

Рис. 1.5

Качественное изображение волновой функции электронов с параллельными (б) и антипараллельными (а) спинами при различных расстояниях между ядрами атомов водорода

волновой функции обеспечивают антисимметрию полной волновой функции. Когда электроны находятся далеко друг от друга, волновые функции электронов не перекрываются. При сближении атомов водорода координатная часть волновой функции существенно отличается для параллельных и антипараллельных спинов. Энергия электрона состоит из двух частей — электростатической потенциальной энергии электрона в поле двух протонов и кинетической энергии, пропорциональной градиенту волновой функции. При антипараллельных спинах оба этих слагаемых становятся меньше. Вероятность пребывания электронов в области между ядрами достаточно велика, и в этом случае электроны притягивают ядра к себе, что приводит к уменьшению потенциальной энергии, а кинетическая энергия меньше, так как в области между ядрами градиент волновой функции равен нулю. Если же спины параллельны, то волновая функция обращается в нуль посередине, между ядрами, электронная плотность между которыми минимальна, и они отталкиваются друг от друга, тем самым увеличивается потенциальная энергия, а кинетическая энергия электронов также оказывается больше.

Классическими примерами ковалентных кристаллов являются алмаз, кремний, германий. Все эти кристаллы имеют так называемую «структуру алмаза». Эта структура характеризуется тем, что каждый атом в решетке связан с четырьмя ближайшими соседями. У углерода есть два электрона в в-состоянии, два в р-состоянии. При сближении атомов электронные оболочки перестраиваются так, что все четыре электрона становятся неспаренными. Распределение электронной плотности оказывается сильно неоднородным, направленным и обладает тетраэдрической симметрией. На каждую связь рассматриваемый атом «выделяет» один из четырех валентных электронов. Каждый из соседних атомов также «выделяет» по одному электрону на каждую связь, и атомы оказываются связанными не менее прочно, чем в ионных кристаллах. Кристаллы с ковалентной связью обладают высокой твердостью и малой электропроводностью при низких температурах.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >