Условие задачи

Что является движущей силой образования химической связи?

Решение

Дисциплина, к которой относится данная задача, – химия (а точнее, физическая химия и квантовая химия). Здесь рассматривается механизм образования химической связи с позиций энергетической стабилизации системы.

Рассмотрим подробно:

1. Первая основа формирования связи – стремление системы к состоянию с наименьшей энергией. Пусть у нас есть два атома с энергиями E₁ и E₂. При их сближении и образовании связи энергия системы становится E₍связи₎. Если выполняется неравенство

∆E = E₍связи₎ − (E₁ + E₂) < 0, то система оказывается стабилизированной за счёт уменьшения энергии. Здесь ∆E – изменение энергии, которое сопровождается выделением энергии в окружающую среду. 2. В основе образования химической связи лежат электростатические взаимодействия между ядрами и электронами. Отталкивание между ядрами компенсируется притяжением электронов к обоим ядрам. Таким образом, когда атомы сближаются, электроны, находящиеся в перекрывающихся орбиталях, распределяются таким образом, чтобы снизить общую энергию системы. 3. Квантовомеханический подход объясняет, что при образовании связи происходит перекрытие атомных орбиталей и образование молекулярных орбиталей (МО). В полученных МО электроны располагаются в связующих орбиталях, энергию которых ниже, чем у исходных атомных состояний. Это перекрытие и образование симметричных (связующих) орбиталей являются энергетически выгодными. 4. Также важную роль играет обменное взаимодействие, связанное с принципом Паули, когда симметричные волновые функции электронов дают дополнительное энергетическое сокращение благодаря корреляции их движений. Таким образом, движущей силой образования химической связи является стремление атомов перейти в состояние с меньшей энергией за счёт образования новых электронных орбиталей, в которых электроны более эффективно уменьшают потенциальную энергию посредством кулоновского притяжения к ядрам, а также за счёт обменных эффектов, описываемых квантовомеханическими законами. Вывод: образование химической связи обусловлено энергетической стабилизацией системы, что достигается за счёт перекрытия атомных орбиталей, распределения электронов в новых (связующих) орбиталях и, как следствие, уменьшения общей энергии системы по сравнению с раздельными атомами.