Читать книгу Fascynująca chemia - Sylvia Feil - Страница 18

Gazowy wodór w warunkach normalnych nie składa się z pojedynczych atomów, lecz z cząsteczek H₂, w których dwa atomy wodoru się ze sobą łączą. Podobnie jest w przypadku wielu innych gazów, na przykład tlenu czy azotu. Lecz co tak naprawdę jest siłą napędową połączenia chemicznego?

Modele takie jak model atomu Bohra, w których elektrony poruszają się jak planety po orbitach, nie stanowią odpowiedzi na to pytanie. Tę zagadkę można dopiero rozwiązać, biorąc pod uwagę kwantowo-mechaniczny charakter falowy elektronów. Mianowicie, kiedy dwa atomy wodoru w stanie podstawowym się do siebie zbliżą, ich orbitale 1s w kształcie kuli zaczynają na siebie oddziaływać i się pokrywać. Zachodzący wówczas proces zależy od różnicy faz obu fal elektronowych. Gdy kołyszą się razem w takt, zaczynają się wzajemnie wzmacniać i tworzyć wspólny orbital cząsteczkowy, który praktycznie nie wykazuje węzłów fali. Wówczas istnieje wysokie prawdopodobieństwo, że elektrony znajdą się między oboma jądrami atomów w taki sposób, że elektrony zaczną swoim ujemnym ładunkiem przyciągać jądra do siebie. Z kolei dodatnio naładowane jądra odpychają się wzajemnie tym mocniej, im bardziej się do siebie zbliżają. W pewnej odległości od siebie te obie siły się równoważą – jest to średnia odległość między dwoma jądrami wodoru w stanie podstawowym cząsteczki.

Drgania i rotacja cząsteczki wodoru

Sytuacja wygląda inaczej, kiedy kuliste fale elektronowe obu atomów wodoru drgają w fazach przeciwnych podczas zbliżania. Kiedy się nałożą, wówczas powstaje orbital cząsteczki z węzłem fali w środku, czyli kolejna składowa wspólnej fali elektronowej. W orbitalu tym zachodzi jedynie niewielkie prawdopodobieństwo, że elektrony znajdą się między jądrami, dlatego też nie dochodzi do wiązania – jest to orbital antywiążący cząsteczki.

W cząsteczce wodoru w stanie podstawowym jedynie orbital wiążący jest obsadzony parą elektronów. W przypadku cząsteczek z większą liczbą elektronów – jak na przykład tlen (O₂) – mogą być obsadzone również orbitale niewiążące, ponieważ zarówno w atomie, jak i w cząstce każdy orbital może przyjąć maksymalnie dwa elektrony (zasada Pauliego). Dopóki orbitale wiążące zachowują kontrolę, dopóty cząsteczka pozostaje stabilna. W przypadku gazu szlachetnego takiego jak hel, zarówno orbital wiążący, jak i orbital niewiążący może być obsadzony parą elektronów. Ich działanie się znosi, dlatego też hel nie tworzy cząsteczek He₂.

Cząsteczka wodoru nie jest jednak sztywnym tworem. Oba jądra mogą drgać w zakresie swojego położenia równowagi lub krążyć wokół siebie, przy czym orbital elektronu bezpośrednio podąża za tym ruchem, ponieważ ponad tysiąc razy lżejsze elektrony mogą bardzo szybko reagować na zmienione pozycje jąder. Cząsteczka zatem wibruje i rotuje jako całość.

Jeśli opisać te ruchy z punktu widzenia mechaniki kwantowej, wówczas powstaje spora ilość poziomów energetycznych wibrowania i rotowania, których przejścia zaznaczają się jako granice leżących blisko siebie linii widmowych w zakresie podczerwieni i mikrofal.

Krzywa potencjału (na niebiesko) w zależności od odległości między jądrami w cząsteczce wodoru. Czerwone linie oznaczają kwantowo-mechaniczne poziomy energii wibracji. Głębokość potencjału o wartości 4,5 eV odpowiada mniej więcej energii potrzebnej do rozdzielenia obu atomów wodoru (energia dysocjacji). Odległość równowagowa jąder znajduje się przy minimalnej wartości krzywej potencjału przy wartości 0,74 angstremów