16.3: Молекули

Last updated
Save as PDF

Page ID: 77126

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Атоми можуть зв'язуватися між собою. Іноді, якщо один атом здатний повністю вкрасти електрон з іншого атома (як у випадку з атомами хлору та натрію, де атом натрію пожертвує електрон атому хлору), отримані іони потім злипаються в результаті електростатичного тяжіння між їх протилежною сіткою заряду.

Однак більш поширеними є молекули, виготовлені з так званих ковалентних зв'язків. Електрони у зовнішній (незаповненій) оболонці атома відомі як «валентні» електрони. Залежно від електронної конфігурації атома, він матиме один або кілька ефективних валентних електронів. У молекулі валентні електрони більше не пов'язані з одним атомом, а натомість діляться між електронами. Що стосується квантової механіки, ви не знайдете рішення рівняння Шредінгера лише для потенціалу одного атома. Швидше, ви створюєте спільний потенціал для двох атомів (включаючи ефекти електронів внутрішньої оболонки), і визначаєте рішення для системи в цілому. Результатом є електронно-хвильова функція, яка вказує на те, що хмара ймовірності електронів ділиться між двома або (для більш складних молекул) більшою кількістю атомів, що складають молекулу. Подібно до того, як ядра мають енергію зв'язування, молекули мають енергію зв'язку, тобто це нижчий енергетичний стан, щоб ці атоми зв'язувалися разом і ділилися електроном, ніж вони залишаються окремими. Хоча ця енергія зв'язування, як правило, становить мільярдну частину масової енергії атомів, її достатньо, щоб створити переважну більшість процесів виробництва енергії (наприклад, спалювання газу для живлення автомобіля), з якими ми знайомі в нашому повсякденному житті.

Пошук цих розв'язків багатоатомних потенціалів є надзвичайно складною проблемою, і її неможливо вирішити аналітично (як може бути атом водню). Опис квантового механічного стану та електронних орбіталів будь-якої молекули складніше, ніж щось подібне, як\(H_{2}\) правило, передбачає як надпотужні числові розрахунки на комп'ютерах, так і важких квантових хіміків.