【化学虚拟实验室】双原子分子的化学键(一)

更新时间:2023-05-19 来源:矩道科技 浏览:0

化学虚拟现实课堂


19世纪的化学家们通过氢和氯结合时会释放热量,认为原子之间有一种化学结合,他们把这种结合称为共价键。但在量子化学出现之前,没有化学家能解释为什么两个原子聚在一起形成稳定的共价键。

 在量子力学中,用来描述分子成键性质的方法被称为分子轨道理论。在这个理论中,利用涉及单电子波函数的行列式来表示分子轨道。

我们探究原子结构是从单电子原子H开始的,同样,我们也从最简单的单电子分子H2+开始。


电子在H2+中受两个原子核的影响

通过解H2+的薛定谔方程,得到两个波函数ψ1和ψ2,以及相应的能量E1和E2

其中,ψ1的能量比1s轨道能量低,当电子从氢原子的1s轨道进入ψ1时,体系的能量降低,ψ1为成键轨道。

相反,电子进入ψ2时,H2+的能量比原来的氢原子和氢离子能量高,ψ2为反键轨道。


氢原子和氢离子的1s轨道叠加形成H2+的分子轨道图形

当原子相互靠近时,它们的原子轨道互相叠加,组合成分子轨道。当电子进入成键轨道时,体系能量降低,形成稳定的分子。此时原子间形成共价键。


氢原子和氢离子的1s轨道叠加形成H2+的成键轨道动态展示

从电子在分子中的分布情况,可了解共价键的成因。在之前的文章中,我们提到过电子可以看作是一团弥散在原子核周围的电子云,可由空间各点概率密度表示。我们可以用H2+中各点概率密度减去原子中电子云密度,得到下图。


由图可见,成键轨道的作用实质上是将分子两端原子外侧的电子云概率抽调到2个原子核之间,增加了核间区域的电子云概率。聚集在核间的电子云,同时受到2个原子核的吸引,即核间的电子云把2个原子核结合在一起,这是H2+形成的原因。

从能量角度来看,聚集在核间运动的电子,同时受到两个原子核的正电荷吸引,这也有利于电子在核间聚集。

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