Մոլեկուլներ: Ինչո՞ւ են գոյանում մոլեկուլները

ՄՈԼԵԿՈՒԼՆԵՐ 2.1. Ինչո՞ւ են գոյանում մոլեկուլները Մոլեկուլ հասկացության հեղինակը ռուս գիտնական Լոմոնոսովն է: Ըստ նրա՝ մոլեկուլը նյութի այն փոքրագույն կայուն մասնիկն է, որը պահպանում է նրա հիմնական քիմիական հատկությունները: Այս սահմանումը արդիական է նույնիսկ մեր օրերում: Ֆիզիկայի ժամանակակից տեղեկագրերում մոլեկուլի սահմանումը հետևյալն է` մոլեկուլը նյութի այն փոքրագույն կայուն մասնիկն է, որն օժտված է նրա քիմիական հատկություններով: Մոլեկուլների չափերը փոխվում են 10-10 մ-ից մինչև 10-7 մ-ի սահմաններում: Նրանց թիվը նյութում հսկայական է. 1մ3 ծավալով պինդ կամ հեղուկ նյութում պարունակվող մոլեկուլների թիվը 1028 կարգի է, իսկ 1մ3 ծավալով գազային նյութում` 1025: Մոլեկուլը բաղկացած է քիմիական կապերով միմյանց միացած ատոմներից: Ատոմների թիվը մոլեկուլներում հանում է երկուսից մինչև մի քանի միլիոնի (սպիտակուցներում, բնական և սինթետիկ պոլիմերներում և այլն): Եթե մոլեկուլը բաղկացած է մոտավորապես հազարից ավելի կրկնվող միավորներից, ապա այն անվանվում է մակրոմոլեկուլ: Ազնիվ գազերի ատոմները հաճախ անվանում են միատոմ մոլեկուլներ: Դրանց մոտ մոլեկուլ և ատոմ հասկացությունները համընկնում են: Տեսնենք, թե ինչու են ատոմներից գոյանում մոլեկուլներ: Մոլեկուլների առաջացման հնարավորությունը բացատրվում է այն հանգամանքով, որ մոլեկուլի՝ որպես ատոմների համակարգի - 56 - ներքին էներգիան ավելի փոքր է մեկուսացված վիճակում այդ ատոմների ունեցած ներքին էներգիաների գումարից: Գործում է բնության հիմնական օրենքը, այն է՝ եթե ինչ-որ երևույթ ընթանում է ինքնաբերաբար, նշանակում է այն ձեռնտու է բնությանը: Քիմիական կապերի առաջացումը ևս ենթարկվում է այս կանոնին: Ահա թե ինչու է միշտ էներգիա անջատվում, երբ առանձին ատոմներից գոյանում են կայուն մոլեկուլներ: Այդ էներգիան քիմիկոսների կողմից կոչվում է կապի էներգիա. որքան մեծ է այն, այնքան ամուր է գոյացած կապը: Թերմոդինամիկայից հայտնի է, որ քիմիական փոփոխություններ ինքնաբերաբար ընթանում են միայն այն դեպքում, եթե այդ փոփոխությունների հետևանքով մեծանում է համակարգի անկարգավորվածությունը (էնտրոպիան): Այն կարող է աճել համակարգի մասնիկների դիրքի կամ շարժման անկարգավորվածության մեծացման հաշվին: Եթե, օրինակ, գազային փուլում գտնվող որևէ տարրի երկու ատոմներ միանում են միմյանց՝ գոյացնելով դարձյալ գազային փուլում գտնվող երկատոմ մոլեկուլ, ապա համակարգի դիրքային անկարգավորվածությունը նվազում է, որովհետև ելակետային երկու մասնիկների փոխարեն ունենում ենք մեկ մասնիկ: Այսինքն` դիրքային անկարգավորվածությունը էական ազդեցություն չպետք է թողնի քիմիական կապի առաջացման վրա: Համակարգի էնտրոպիան կարող է աճել շարժման անկարգավորվածության աճի հաշվին: Սակայն այս դեպքում ռեակցիան պետք է էկզոթերմիկ լինի: Դա կարող է լինել միայն այն դեպքում, եթե վերջնանյութերի էներգիան փոքր լինի ելանյութերի գումարային էներգիայից, այսինքն՝ քիմիական փոխազդեցությունն ընթանում է համակարգի էներգիայի նվազման հաշվին, ընդ որում՝ այդ էներգիան անջատվում է ջերմության ձևով: Փորձենք պարզել, թե քիմիական փոխազդեցության ժամանակ ինչն է համակարգի էներգիայի նվազման պատճառը: Տարրերի էլեկտրոնների և միջուկների գումարային էներգիան հավասար է - 57 - նրանց միջին կինետիկ ( K ) և պոտենցիալ (U ) էներգիաների գումարին` E KU   Պարզելու համար, թե այս էներգիաներից որն է գերակշռում քիմիական կապի գոյացման դեպքում, օգտվենք Վիրիալի թեորեմից: Ինչպես գիտենք, եթե համակարգում գործող ուժերը պայմանավորված են միայն էլեկտրաստատիկական ձգողությամբ և վանողությամբ, ապա դա հավաստում է, որ միջին կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաների միջև գործում է հետևյալ պարզ առնչությունը` 1 2 K   U Ճիշտ է, ատոմներում և մոլեկուլներում, բացի էլեկտրաստատիկական ուժերից, գործում են նաև միջուկային` սպինների գոյությամբ պայմանավորված մագնիսական և գրավիտացիոն` զանգվածների գոյությամբ պայմանավորված ուժեր, սակայն դրանց ազդեցությունը համակարգի լրիվ էներգիայի վրա շատ փոքր է, ուստի մենք իրավասու ենք Վիրիալի թեորեմն օգտագործելու մեր դատողություններում: Վերջին հավասարումը կիրառենք երկու միավալենտ տարրերի միջև քիմիական կապի գոյացման դեպքը քննարկելու համար: Մինչև ռեակցիան, որը մենք կանվանենք 1 վիճակ, ունենք միմյանցից բավականաչափ հեռացված երկու ատոմ, որոնցից յուրաքանչյուրն ունի միջին K կինետիկ և U պոտենցիալ էներգիաներ: Քանի որ փոխազդող ատոմները երկուսն են, ուստի 1 վիճակում ունենք համապատասխանաբար K1  2K և 1 U U  2 կինետիկ ու պոտենցիալ էներգիաներ: Ռեակցիայի հետևանքով գոյանում է երկատոմ մոլեկուլ (2 վիճակ), որի կինետիկ և պոտենցիալ էներգիաներն են համապատասխանաբար ' ' K2 2   K UU ¨ : Վիրիալի թեորեմը ճշմարիտ է ինչպես ելակետային, այնպես էլ վերջնական վիճակների համար` - 58 - 1 1 1 2 K   U և 2 2 1 K =- U 2 ( կամ ' ' 1 K =- U 2 ) : Տեսնենք, թե ինչպես է փոխվում էներգիան, երբ համակարգը 1 վիճակից անցնում է 2 վիճակին, այսինքն, երբ ի սկզբանե ազատ ատոմները մոլեկուլ են գոյացնում` 2   KK K 1 և UU U  2 1 : Կատարենք համապատասխան տեղադրումներ` 2 1 2 1 21   1 11 1 2 22 2 K KK U U UU U                     : Ստացված արդյունքը տեղադրենք լրիվ էներգիայի արտահայտության մեջ` 1 1 2 2 E KU U U U                կամ             E KU K K K  2  : Այդ դեպքում` 1 2 EUK     : Լրիվ էներգիայի փոփոխությունը պետք է ունենա նույն նշանը, ինչ որ պոտենցիալ էներգիայի փոփոխությունը: Եվ այսպես, համակարգի լրիվ էներգիան` E-ն, կարող է նվազել, այսինքն` կարող է կապ առաջանալ միայն այն դեպքում, երբ U -ն փոքրանում է: Միաժամանակ փոխվում է նաև կինետիկ էներգիան, սակայն նրա փոփոխությունը միշտ ունի հակառակ նշան և մեծությամբ կրկնակի փոքր է: Այսպիսով` քիմիական կապեր կարող են գոյանալ միայն այն դեպքում, երբ համապատասխան ատոմների մերձեցումն ուղեկցվում է էլեկտրոնների և միջուկների պոտենցիալ էներգիայի նվազումով: - 59 - 2.1. Էլեկտոնային ամպի խտության բաշխումը ջրի մոլեկուլում Քիմիայի ամենակարևոր խնդիրը քիմիական կապի տեսությունն է: Ժամանակակից փորձարարական մեթոդները հնարավորություն են տալիս փորձնականորեն որոշելու ատոմային միջուկների տարածական բաշխումը նյութում: Ատոմային միջուկների տվյալ տարածական բաշխմանը համապատասխանում է էլեկտրոնային ամպի որոշակի բաշխում: Էլեկտրոնային ամպի տարածական բաշխման պարզաբանումը, ըստ էության, հենց տվյալ նյութում քիմիական կապի նկարագրությունն է: Ինչպես կտեսնենք հետագայում, դրա համար հարկավոր է ճշգրտորեն լուծել Շրեդինգերի հավասարումը: Քիմիական կապի կարևորագույն բնութագրիչներն են կապի էներգիան, կապի երկարությունը, վալենտային անկյունները, ինչպես նաև նյութի փորձնականորեն որոշվող մագնիսական, օպտիկական, էլեկտրական և այլ հատկությունները: Դրանք բոլորը կախված են էլեկտրոնային ամպի խտության տարածական բաշխման բնույթից, որն առայժմ իրականացված է միայն երկու պրոտոններից և մեկ էլեկտրոնից բաղկացած ջրածնի իոնի համար: Երկու և ավելի թվով էլեկտրոններ պարունակող համակարգերի համար հարկ է լինում օգտվել որոշակի մոտավորություններից: Օրինակ՝ էլեկտրոնային ամպի բաշխման մոտավոր մեթոդի արդյունքը ջրի մոլեկուլի համար բերված է 2.1 նկարում: Կոնտուրային գծերը միմյանց են միացնում միևնույն էլեկտրոնային խտությամբ տեղամասերը: Ելնելով նյութում էլեկտրոնային խտության բաշխման բնույթից՝ տարբերակում են քիմիական կապերի երեք հիմնական տեսակներ` - 60 - կովալենտ, իոնական և մետաղական: Սովորաբար, նյութերից շատերում քիմիական կապը այս տարատեսակների վերադրման արդյունք է: