Строение и спектры молекул

Лекция № 6

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.

Если 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.

Энергии 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.

Основные виды межатомной связи

Различают два типа связи атомов: ионную (или гетерополярную) и ковалентную (или гомеополярную).

Ионная связь имеет место в тех случаях, когда электроны в молекуле располагаются таким образом, что около одного из ядер образуется избыток, а около другого – их недостаток. Таким образом, молекула как бы состоит из двух ионов противоположных знаков, притягивающихся друг к другу. Примером молекул с ионной связью могут служить NaCl, KCl, RbF, CsJ и т.д. образовавшиеся при соединении атомов элементов I-ой и VII-ой групп периодической системы Менделеева. При этом атом, присоединивший к себе один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом, а атом, который отдает соответствующее число электронов, превращается в положительный ион. Общая сумма положительных и отрицательных зарядов ионов равна нулю. Поэтому ионные молекулы электрически нейтральны. Силы, обеспечивающие устойчивость молекулы, имеют электрическую природу.

Чтобы ионная связь осуществилась, необходимо, чтобы энергия отрыва электрона, то есть работа создания положительного иона, была бы меньше суммы энергии, выделяющейся при образовании отрицательных ионов и энергии их взаимного притяжения.

Вполне очевидно, что образование положительного иона из нейтрального атома требует меньше всего работы в том случае, когда происходит отрыв электронов находящихся в начавшей застраиваться электронной оболочке.

С другой стороны, наибольшая энергия выделяется при присоединении электрона к атомам галоидов, которым не хватает одного электрона до заполнения электронной оболочки. Поэтому ионная связь образуется при такой передаче электронов, которая ведет к созданию у образовавшихся ионов заполненных электронных оболочек.

Другой тип связи – ковалентная связь.

При образовании молекул, состоящих из одинаковых атомов, возникновение разноименно заряженных ионов невозможно. Следовательно, невозможна ионная связь. Однако в природе существуют вещества, молекулы которых образованы из одинаковых атомов Н₂, О₂, N₂ и т.д. Связь в веществах такого типа называется ковалентной или гомеополярной (гомео – разный [греч.] ). Кроме этого, ковалентная связь наблюдается и у молекул с разными атомами: фтористый водород HF, окись азота NO, метан CH₄ и т.д.

Природу ковалентной связи можно объяснить только на основе квантовой механики. В основу квантовомеханического объяснения положена волновая природа электрона. Волновая функция внешних электронов атома не обрывается резко при увеличении расстояния от центра атома, а постепенно убывает. При сближении атомов размытые электронные облака внешних электронов частично перекрываются, что приводит к их деформации. Точный расчет изменения состояния электронов требует решения волнового уравнения Шредингера для системы всех участвующих во взаимодействии частиц. Сложность и громоздкость этого пути вынуждают ограничиться здесь лишь качественным рассмотрением явлений.

В простейшем случае s-состояния электрона электронное облако представляет собой сферу некоторого радиуса. Если оба электрона в ковалентной молекуле обмениваются местами так, что электрон 1, ранее принадлежавший ядру «а», перейдет на место электрона 2, принадлежавшего ядру «b», а электрон 2 совершит обратный переход, то в состоянии ковалентной молекулы ничего не изменится.

Принцип Паули допускает существование двух электронов в одном состоянии с противоположно направленными спинами. Слияние областей, где могут находиться оба электрона, означает возникновение между ними особого квантовомеханического обменного взаимодействия. При этом каждый из электронов в молекуле может принадлежать попеременно то одному, то другому ядру.

Как показывает расчет, обменная энергия молекулы положительна, если спины взаимодействующих электронов параллельны, и отрицательна – если они не параллельны.

Итак, ковалентный тип связи обеспечивается парой электронов с противоположными спинами. Если в ионной связи речь шла о передаче электронов из одного атома другому, то здесь связь осуществляется обобщением электронов и созданием общего пространства для их движения.

Молекулярные спектры

Молекулярные спектры сильно отличаются от атомных. В то время, как атомные спектры состоят из отдельных линий, молекулярные спектры состоят из полос, резких с одного края и размытых с другого. Поэтому молекулярные спектры называются еще полосатыми спектрами.

Полосы в молекулярных спектрах наблюдаются в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах частот электромагнитных волн. При этом полосы располагаются в определенной последовательности, образуя серии полос. В спектре имеется ряд серий.

Квантовая механика дает объяснение характера молекулярных спектров. Теоретическая трактовка спектров многоатомных молекул весьма сложна. Мы ограничимся рассмотрением только двухатомных молекул.

Ранее мы отмечали, что энергия молекулы зависит от характера движения ядер атомов и выделили три вида этой энергии: поступательную, вращательную и колебательную. Кроме этого, энергия молекулы определяется также и характером движения электронов. Этот вид энергии называется электронной энергией и является составляющей полной энергии молекулы.

Таким образом, полная энергия молекулы равна:

Изменение поступательной энергии не может привести к возникновению спектральной линии в молекулярном спектре, поэтому этот тип энергии при дальнейшем рассмотрении молекулярных спектров мы исключим. Тогда

По правилу частот Бора (III–тий постулат Бора) частота кванта, испускаемого молекулой при изменении ее энергетического состояния равна

Опыт и теоретические исследования показали, что

Поэтому при слабых возбуждениях изменяется только , при более сильных - , при еще более сильных - . Обсудим более детально различные виды молекулярных спектров.

Вращательный спектр молекул

Начнем исследовать поглощение электромагнитных волн с малых порций энергии . До тех пор, пока величина кванта энергии не станет равной расстоянию между двумя ближайшими уровнями, молекула поглощать не будет. Постепенно увеличивая частоту, мы дойдем до квантов способных поднять молекулу с одной вращательной ступеньки на другую. Это происходит в области инфракрасных волн порядка 0,1 -1 мм.

При этом

где и - значения вращательного квантового числа на -ом и -ом уровнях энергии.

Вращательные квантовые числа и могут иметь значения , т.е. их возможные изменения ограничиваются правилом отбора

Поглощение кванта молекулой переводит ее с одного вращательного энергетического уровня на другой, более высокий, и приводит к возникновению спектральной линии вращательного спектра поглощения. По мере уменьшения длины волны (т.е. изменения числа ) в этой области возникают все новые линии спектра поглощения. Совокупность всех линий дает представление о распределении вращательных энергетических состояний молекулы.

Мы рассматривали до сих пор спектр поглощения молекулы. Возможен также и спектр испускания молекулы. Возникновение линий вращательного спектра испускания связано с переходом молекулы с верхнего вращательного энергетического уровня на нижний.

Вращательные спектры позволяют с огромной точностью определять межатомные расстояния в простых молекулах. Зная момент инерции и массы атомов, можно определить расстояния между атомами. Для двухатомной молекулы

где .

Колебательно-вращательный спектр молекул

Поглощение веществом электромагнитных волн в инфракрасной области с длиной волн микрон вызывает переходы между колебательными энергетическими уровнями и приводит к возникновению колебательного спектра молекулы. Однако, когда изменяются колебательные энергетические уровни молекулы, одновременно изменяются и ее вращательные энергетические состояния. Переходы между двумя колебательными энергетическими уровнями сопровождаются изменением вращательных энергетических состояний. При этом возникает колебательно-вращательный спектр молекулы.

Если молекула одновременно колеблется и вращается, то ее энергия будет определяться двумя квантовыми числами и :

Учитывая правила отбора для обоих квантовых чисел, получим следующую формулу для частот колебательно- вращательного спектра (предыдущую формулу /h и отбросим предыдущий энергетический уровень, т.е. члены в скобках):

При этом знак (+) соответствует переходам с более низкого на более высокий вращательный уровень, а знак (-) – обратному положению. Колебательная часть частоты определяет спектральную область, в которой располагается полоса; вращательная часть определяет тонкую структуру полосы, т.е. расщепление отдельных спектральных линий.

По классическим представлениям вращение или колебание двухатомной молекулы может приводить к излучению электромагнитных волн только в том случае, если молекула обладает отличным от нуля дипольным моментом. Это условие выполняется лишь для молекул, образованных двумя различными атомами, т.е. для несимметричных молекул.

У симметричной молекулы, образованной одинаковыми атомами, дипольный момент равен нулю. Следовательно, согласно классической электродинамике, колебание и вращение такой молекулы не может вызвать излучение. Квантовая теория приводит к аналогичным результатом.

Электронно-колебательный спектр молекул

Поглощение электромагнитных волн видимого и ультрафиолетового диапазона приводит к переходам молекулы между различными электронными энергетическими уровнями, т.е. к возникновению электронного спектра молекулы. Каждому электронному энергетическому уровню соответствует определенное пространственное распределение электронов, или, как говорят, определенная конфигурация электронов, обладающая дискретной энергией. Каждой конфигурации электронов соответствует множество колебательных энергетических уровней.

Переход между двумя электронными уровнями сопровождается многими сопутствующими переходами между колебательными уровнями. Так возникает электронно-колебательный спектр молекулы, состоящий из групп близких линий.

На каждое колебательное энергетическое состояние накладывается система вращательных уровней. Поэтому частота фотона при электронно-колебательном переходе будет определяться изменением всех трех видов энергии:

Частота - определяет положение спектра.

Весь электронно-колебательный спектр представляет собой систему из нескольких групп полос, часто перекрывающих друг друга и составляющих широкую полосу.

Изучение и расшифровка молекулярных спектров позволяет разобраться в детальной структуре молекул и имеет широкое применение для химического анализа.

Комбинационное рассеяние света

Это явление заключается в том, что в спектре рассеяния, возникающем при прохождении света через газы, жидкости или прозрачные кристаллические тела, наряду с рассеянием света с неизменной частотой , появляется ряд больших или меньших частот, соответствующих частотам колебательных или вращательных переходов, рассеивающих молекул.

Явление комбинационного рассеивания имеет простое квантово-механическое объяснение. Процесс рассеивания света молекулами можно рассматривать как неупругое соударение фотонов с молекулами. При соударении фотон может отдать молекуле или получить от нее только такие количества энергии, которые равны разностям двух ее энергетических уровней. Если при столкновении с фотоном молекула переходит из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией, то теряет свою энергию и его частота уменьшается. При этом создается линия в спектре молекулы, смещенная относительно основной в сторону бо́льших длин волн. В случае, если после столкновения с фотоном молекула переходит из состояния с бо́льшей энергией в состояние с меньшей энергией, в спектре создается линия смещенная относительно основной в сторону меньших длин волн.

Исследование комбинационного рассеяния дает сведения о строении молекул. С помощью этого метода легко и быстро определяются собственные частоты колебаний молекул. Он позволяет также судить о характере симметрии молекулы.

Люминесценция

Если молекулы вещества могут быть приведены в возбужденное состояние без увеличения их средней кинетической энергии, т.е. без нагревания, то возникает свечение этих тел или люминесценция.

Различают два типа люминесценции: флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценцией называется люминесценция, сразу прекращающаяся после окончания действия возбудителя свечения.

При флуоресценции происходит самопроизвольный переход молекул из возбужденного состояния на более низкий уровень. Такой вид свечения имеет очень малую продолжительность (порядка 10^-7сек.).

Фосфоресценцией называется люминесценция, сохраняющая свечение длительное время после действия возбудителя свечения.

При фосфоресценции молекула переходит из возбужденного состояния на метастабильный уровень. Метастабильным называется такой уровень, переход с которого на более низкий уровень маловероятен. Излучение при этом может произойти, если молекула снова вернется на возбужденный уровень.

Переход из метастабильного состояния в возбужденное возможен лишь при наличии дополнительного возбуждения. Таким дополнительным возбудителем может быть температура вещества. При высоких температурах такой переход происходит быстро, при низких – медленно.

Как мы уже отмечали, люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами – катодолюминесценцией, под действием электрического поля – электролюминесценцией, под действием химических превращений – хемилюминесценцией.

Квантовые усилители и генераторы излучения

В середине 50-х годов нашего столетия началось бурное развитие квантовой электроники. В 1954 г. в СССР появились работы академиков Н.Г.Басова и А.М. Прохорова, в которых был описан квантовый генератор ультракоротких радиоволн в сантиметровом диапазоне, называемый мазером (microware amplification by stimulated emission of radiation). Серия генераторов и усилителей света в видимой и инфракрасной областях, появившихся в 60-х годах получила название оптических квантовых генераторов или лазеров (light amplification by stimulated emission of radiation).

Оба типа устройств работают на основе эффекта вынужденного или индуцированного излучения.

Остановимся на этом виде излучения более подробно.

Этот вид излучения является результатом взаимодействия электромагнитной волны с атомами вещества, через которое проходи волна.

В атомах переходы с более высоких энергетических уровней на менее высокие - осуществляются самопроизвольно (или спонтанно). Однако, под действием падающего излучения, такие переходы возможны как в прямом, так и в обратном направлении. Эти переходы называются вынужденными или индуцированными. При вынужденном переходе с одного из возбужденных уровней на низкий энергетический уровень происходит излучения атомом фотона, дополнительного к тому фотону, под действием которого сделан переход.

При этом направление распространения этого фотона и, следовательно, всего вынужденного излучения совпадает с направлением распространения внешнего излучения, вызвавшего переход, т.е. вынужденное излучение строго когерентно с вынуждающим излучением.

Таким образом, новый фотон, появившийся в результате индуцированного излучения, усиливает свет, проходящий через среду. Однако, одновременно с индуцированным излучением происходит процесс поглощения света, т.к. фотон вынуждающего излучения поглощается атомом, находящимся на низком энергетическом уровне , при этом атом переходит на более высокий энергетический уровень.

Этот процесс уменьшает мощность света, проходящего через среду.

В следующий момент времени фотон вынужденного излучения переводит атом обратно с уровня на уровень . При этом переходе выделяется дополнительный фотон и далее в среде распространяются уже два фотона и свет усиливается.

Действие среды, в которой распространяются фотоны, определяется тем, какой из двух этих процессов преобладает. Если преобладает поглощение фотонов, то среда будет ослаблять свет, если преобладает вынужденное излучение, то среда будет усиливать свет.

В состоянии равновесия количество поглощенных фотонов равно количеству излучаемых фотонов, т.е.

где и - число атомов на уровнях энергии и , 4

- объемная плотность энергии излучения;

- вероятность спонтанного перехода с уровня « » на уровень « »;

- вероятность вынужденного перехода.

Если , то можно перевести систему в состояние с > .

Такое неравновесное состояние системы, при котором число атомов на возбужденном уровне больше, чем в нормальном состоянии, называется инверсным.

Процесс перевода среды в инверсное состояние называется накачкой усиливающей среды. Методов накачки усиливающей среды существует множество. Наиболее простым из них является оптическая накачка среды, при которой атомы переводятся с нижнего уровня на верхний возбужденный уровень облучением света такой частоты , что .

В среде, обладающей инверсным состоянием, вынужденное излучение превышает поглощение света атомами, вследствие чего, падающий пучок света будет усиливаться.

Рассмотрим прибор, использующий такие среды, применяемый в качестве генератора волн оптического диапазона или лазер.

Основной его частью является кристалл искусственного рубина, представляющего собой окись алюминия, в которой некоторые атомы алюминия замещены атомами хрома. При облучении кристалла рубина светом длины волны 5600 ионы хрома переходят на верхний энергетический уровень.

Обратный переход в основное состояние происходит в два этапа. На первом этапе возбужденные ионы отдают часть своей энергии кристаллической решетке и переходят в метастабильное состояние. На этом уровне ионы находятся большее время, чем на верхнем. В результате чего достигается инверсное состояние метастабильного уровня.

Возвращение ионов в основное состояние сопровождается излучением двух красных линий:

. Это возвращение происходит лавинообразно под действием фотонов той же длины волны, т.е. при вынужденном излучении. Это возвращение происходит значительно быстрее, чем при спонтанном излучении, поэтому происходит усиление света.

Рубин, используемый в лазере, имеет вид стержня диаметром 0,5 см и длиной 4-5 см. плоские торцы этого стержня отшлифованы и посеребрены так, что образуют два зеркала навстречу, причем одно из них полупрозрачно. Весь рубиновый стержень расположен вблизи импульсной электронной лампы, с помощью которой осуществляется оптическая накачка среды. Фотоны, направления движения которых образуют малые углы с осью рубина, испытывают многократные отражения от его торцов.

Поэтому путь их в кристалле будет очень большим, и каскады фотонов в этом направлении получат наибольшее развитие.

Фотоны, испущенные спонтанно в других направлениях, выходят из кристалла через его боковую поверхность не вызывая дальнейшего излучения.

Когда осевой пучок становится достаточно интенсивным, часть его выходит через полупрозрачный торец кристалла наружу.

Внутри кристалла выделяется большое количество тепла. Поэтому его приходится интенсивно охлаждать.

Излучение лазеров отличается рядом особенностей. Для него характерны:

1. временная и пространственная когерентность;

2. строгая монохроматичность;

3. большая мощность;

4. узость пучка.

Высокая когерентность излучения открывает широкие перспективы использования лазеров для целей радиосвязи, в частности для направленной радиосвязи в космосе. Если будет найден способ модуляции и демодуляции света, можно будет передавать огромный объем информации. Т.о., по объему передаваемой информации один лазер мог бы заменить всю систему связи между восточным и западным побережьями США.

Угловая ширина лазерного пучка столь мала, что, используя телескопическую фокусировку, можно получить на лунной поверхности пятно света диаметром 3 км. Большая мощность и узкость пучка позволяет при фокусировке с помощью линзы получить плотность потока энергии в 1000 раз превышающую плотность потока энергии, которую можно получить фокусировкой солнечного света. Такие пучки света можно использовать для механической обработки и сварки, для воздействия на ход химических реакций и т.д.

Сказанное выше далеко не исчерпывает всех возможностей лазера. Он является совершенно новым типом источника света и пока еще трудно представить себе все возможные области его применения.