Лекция № 6 Строение и спектры молекул
Энергия молекулы
Атомом называется наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами.
Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся в его поле. Заряд ядра равен заряду всех электронов. Ионом данного атома называется электрически заряженная частица, образующаяся при потере или приобретении электронов атомов.
Молекулой называется наименьшая частица однородного вещества, обладающая его основными химическими свойствами.
Молекулы состоят из одинаковых или различных атомов соединенных между собой междуатомными химическими связями.
Для того, чтобы понять причины, по которым электрически нейтральные атомы могут образовать устойчивую молекулу, мы ограничимся рассмотрением простейших двухатомных молекул, состоящих из двух одинаковых или различных атомов.
Силы, удерживающие атом в молекуле, вызваны взаимодействием внешних электронов. Электроны внутренних оболочек при объединении атомов в молекулу остаются в прежних состояниях.
Е
сли
атомы находятся на большом расстоянии
друг от друга, то они не взаимодействуют
между собой. При сближении атомов
возрастают силы их взаимного притяжения.
При расстояниях, сравнимых с размерами
атомов, проявляются силы взаимного
отталкивания, которые не позволяют
электронам одного атома слишком глубоко
проникать внутрь электронных оболочек
другого атома.
Силы отталкивания являются более «короткодействующими», чем силы притяжения. Это значит, что при увеличении расстояния между атомами силы отталкивания убывают быстрее, чем силы притяжения.
График зависимости силы притяжения, силы отталкивания и результирующей силы взаимодействия между атомами в функции от расстояния имеет вид:
Энергия взаимодействия электронов в молекуле определяется взаимным расположением ядер атомов и является функцией расстояния, то есть
.
Полная энергия
всей молекулы включает еще в себя и
кинетическую энергию движущихся ядер
.
Следовательно,
.
Это значит, что
является потенциальной энергией
взаимодействия ядер.
Тогда
представляет собой силу взаимодействия
атомов в двухатомной молекуле.
Соответственно, график зависимости потенциальной энергии взаимодействия атомов в молекуле от расстояния между атомами имеет вид:
Равновесное
междуатомное расстояние
в молекуле называется длиной
связи.
Величина D
называется
энергией
диссоциации молекулы
или энергией
связи. Она
численно равна работе, которую надо
совершить для того, чтобы разорвать
химические связи атомов в молекулы и
удалить их за пределы действия междуатомных
сил. Энергия диссоциации равна энергии
выделяющейся при образовании молекулы,
но противоположна ей по знаку. Энергия
диссоциации отрицательна, а энергия,
выделяющаяся при образовании молекулы,
положительна.
Энергия молекулы
зависит от характера движения ядер. Это
движение можно разделить на поступательное,
вращательное и колебательное. При малых
расстояниях между атомами в молекуле
и достаточно большом объеме сосуда,
предоставленного молекулам, поступательная
энергия
имеет сплошной спектр и ее среднее
значение равно
,
то есть
.
Энергия вращательного движения имеет дискретный спектр и может принимать значения
,
где I – вращательное квантовое число;
J – момент инерции молекулы.
Энергия колебательного движения так же имеет дискретный спектр и может принимать значения
,
где
– колебательное квантовое число;
– собственная
частота данного типа колебаний.
При
наинизший колебательный уровень обладает
нулевой энергией
.
Дальше энергетические
ступеньки идут равномерно и, по мере
приближения расстояния между атомами
к значению
, сгущаются, т. е. колебания перестают
быть гармоническими.
Э
нергии
вращательного и поступательного движения
соответствует кинетическая форма
энергии, энергии колебательного движения
– потенциальная. Следовательно,
энергетические ступеньки колебательного
движения двухатомной молекулы могут
быть представлены на графике зависимости
.
Аналогичным образом расположены и энергетические ступеньки вращательного движения двухатомной молекулы, только расстояние между ними значительно меньше, чем у таких же ступенек колебательного движения.