Почему атомы образуют молекулы? Квантовая физика химических связей объясняет

Перейдите по ссылке
и зарегистрируйтесь бесплатно. Кроме того, первые 200 человек получат скидку 20% на годовую премиум-подписку. Видео о квантовой механике атомов, которое может прояснить некоторые концепции:    • The Quantum Mechanical model of an atom. W...   Почему атомы объединяются в молекулы? Квантовая механика химических связей и химия. Как получается, что так много химических веществ состоит всего из примерно 100 относительно простых строительных блоков, называемых атомами? Это связано с тем, что атомы редко встречаются по отдельности. Чаще всего они встречаются в соединениях с другими атомами благодаря процессу химических связей. Почему это происходит? Почему Вселенная не состоит только из атомов? Ответ на этот важный вопрос кроется в понимании роли энергии в образовании молекул и её истоков в квантовой механике. Все природные системы, как правило, находятся в состоянии с наименьшей энергией. Мрамор на вершине холма обладает высокой потенциальной энергией из-за гравитации. Если предоставить ему возможность, он естественным образом скатится к подножию холма, где будет иметь более низкую потенциальную энергию. Атом водорода сам по себе находится в своём самом низком энергетическом состоянии, называемом основным состоянием. Но когда добавляется второй атом водорода, начинают происходить некоторые вещи. Оба атома находятся в своих основных состояниях. Но по мере их сближения, сначала электроны, поскольку они оба имеют отрицательный и положительный заряды, отталкиваются друг от друга, но электрон атома водорода 1 также начинает испытывать воздействие положительного заряда протона атома водорода 2. Аналогично, электрон атома 2 начинает притягиваться к протону атома 1. Таким образом, электроны каждого из двух атомов имеют тенденцию слегка притягиваться к протону другого. И если они подходят достаточно близко, облако начинает распространяться в пространство между двумя атомами. Если атомы подходят слишком близко, то протоны начинают отталкиваться и расталкивать друг друга. Итак, существует оптимальное расстояние, на котором два протона предпочитают находиться. Разве электронные облака не должны отталкиваться друг от друга и не позволять им приблизиться друг к другу? Нет, существуют другие взаимодействия, влияющие на энергию системы: Чтобы вычислить наименьшую энергию этой двухатомной системы, или молекулы водорода, необходимо учесть: 1) Кинетическую энергию каждого атома; 2) Потенциальную энергию между двумя протонами; 3) Потенциальную энергию между двумя электронами; 4) Потенциальную энергию между каждым электроном и каждым протоном. Сумма возможных значений кинетической и потенциальной энергии всей этой системы в квантовой механике называется гамильтонианом, обозначаемым заглавной буквой H. Этот гамильтониан представляет собой оператор, соответствующий энергии системы, и, подставив его во стационарное уравнение Шредингера, можно получить возможные значения энергии. Это уравнение нетривиально для решения. Но для простоты его можно представить в виде графика потенциала Морзе. Энергия двухатомной системы меньше энергии двух отдельных одноатомных систем. Именно поэтому, если группа атомов водорода находится рядом друг с другом, они естественным образом объединяются, образуя молекулу H₂, а не парят поодиночке. Такое совместное использование электронов двумя атомами водорода называется ковалентной связью. Не все атомы образуют связи с атомами своего вида, как и с любым другим атомом. Все вещества стремятся достичь удивительной стабильности, разделяя или имея магическое число электронов – 2, 10, 18, 36, 54 или 86 в так называемых оболочках вокруг ядра атома. Эти числа соответствуют числу электронов, содержащихся в шести природных благородных газах. Эти элементы являются инертными, поскольку они уже содержат необходимое количество электронов для образования высокоустойчивых оболочек вокруг ядра. Другие элементы стремятся содержать полный набор электронов во внешней оболочке, называемой валентной. Любой элемент с незаполненной внешней оболочкой имеет гораздо более высокую химическую потенциальную энергию, чем эти благородные газы. Но что же такого особенного в этих числах? Химики скажут: все атомы стремятся сформировать валентный набор электронов. И эта сила притяжения, заставляющая атомы делиться электронами для формирования полной валентной оболочки, уравновешивается силами отталкивания их электронных облаков и протонов. #гамильтониан #уравнениешрёдингера В квантовой механике всё связано с потенциальной энергией многоатомных систем. В основе лежат уравнение Шрёдингера и принцип запрета Паули.