Взаимодействие двух атомов разных элементов

[Oleg5885]

Как с точки зрения классической физики происходит взаимодействие двух атомов разных элементов?

Можете поподробнее описать сам принцип перекрытия электронных облаков? Вот что например мне не совсем понятно:
Например, если взять 7ми валентный атом, то у него на внешней оболочке находится 7 электронов. А ядро состоит из 7 протонов и 7 нейтронов. И взять 3х валентный атом. Если атомы окажутся на достаточно близком расстоянии, то 7ми валентный может захватить электрон у 3х валентного. Сам принцип захвата мне не понятен. Почему он вообще может быть? Ведь электроны друг друга отталкивают. И как же тогда происходит это самое перекрытие? Как вообще возможно сближение электронных оболочек?? понятно, что как то влияет ядро атома... оно притягивает электроны, но ядро расположено много дальше от внешних оболочек..
Если сможете опишите пожалуйста сам процесс перекрытия электронных облаков.

Слышал еще такое высказывание:
У электронов есть спины.
То есть одни электроны вращаются в одну сторону, другие в другую (вокруг ядра что-ли).
Так вот, электроны с противоположными спинами спариваются и образуется гармония.

[Pphantom]

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Как с точки зрения классической физики происходит взаимодействие двух атомов разных элементов?

В общем-то вопрос достаточно бессмысленный. Отчасти потому, что наиболее короткий ответ - "никак", отчасти потому, что в тот момент, когда этот вопрос в такой постановке возник, потребности использовать именно классические представления для объяснения уже не имелось.

Так что нужна либо феноменологическая теория (обычно именуемая классической химией), либо квантовая механика и ее следствия.

[madschumacher]

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Например, если взять 7ми валентный атом, то у него на внешней оболочке находится 7 электронов.

Не так. Каноничный контрпример -- 7ми валентного галогена Вы не встретите (со степенью окисления +7 -- пожалуйста). Т.е. "валентность" и "число электронов в валентном слое" связано несколько более сложным отношением.

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

А ядро состоит из 7 протонов и 7 нейтронов.

А это то ту зачем? Тем более, что $\mathrm{^{14}N}$, который Вы описали, имеет на внешнем уровне 5 электронов, а его максимальная валентность равна 4м.

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Почему он вообще может быть?

Из-за того, что электроны подчиняются квантмеху.

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Если сможете опишите пожалуйста сам процесс перекрытия электронных облаков.

Простите пожалуйста, но будет проще, если Вы укажите свой уровень подготовки. Дело в том, что от этого будет зависеть и уровень ответа.

[DimaM]

madschumacher в сообщении #1151556 писал(а):

Тем более, что $\mathrm{^{14}N}$, который Вы описали, имеет на внешнем уровне 5 электронов, а его максимальная валентность равна 4м.

А как же $\mbox{HNO}_3$?

[madschumacher]

Ой, прошу прощения. Меня переклинило. Подумал, что валентность -- это число атомов, связанных с выбранным атомом (наподобие координационного числа в комплексах). А это число "палочек" -- связей (в смысле пар электронов). Совсем забыл это определение. Стыд мне и позор.
И значит галогены тоже бывают 7ми валентными. В любом случае связь все равно нетривиальная, т.к. тот же азот в аммиаке 3х валентный. А максимальная валентность -- да, коррелирует более явно. Но, опять же, не всегда. Бор, например, имеет 3 электрона на внешней оболочке, но максимальная его валентность = 4м (а в карборанах вообще сложно сказать чему ).

[Oleg5885]

madschumacher в сообщении #1151556 писал(а):

Простите пожалуйста, но будет проще, если Вы укажите свой уровень подготовки. Дело в том, что от этого будет зависеть и уровень ответа.

Так сказать немного расширенный курс "школьной физики"

Опишите пожалуйста процесс, если не затруднит. Сам факт почему возможно перекрытие облаков мне не понятен. Если оболочки (ну я как думаю) должны отталкиваться.(ведь они состоят из отрицательно заряженных электронов...)

[rockclimber]

Oleg5885
Когда вы говорите "электронные облака" и "валентность", вы должны понимать, что эти термины появились в разное время, и уровень развития науки в эти времена сильно отличался. Понятие валентности появилось задолго до того, как было выяснено строение атома, поэтому если вы оперируете этим термином, можете просто представлять себе атомы как шарики с крючками. У углерода - 4 крючка, у водорода один, и т. д. Электронные облака - это уже из области квантовой механики. И тут у нас уже не шарики с крючками, а квантовые частицы с полным набором необходимых для их описания понятий: спин, заряд, волновая функция, уравнение Шредингера и так далее. Это два разных уровня описания реальности, примерно как дом на детском рисунке и тот же том, но в чертежах в архитектурном бюро. И когда вы смотрите на детский рисунок, бессмысленно спрашивать, а где там показано соединение перекрытий с несущими стенами.

[AL Malino]

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Как с точки зрения классической физики происходит взаимодействие двух атомов разных элементов?

Прежде всего, риторический вопрос: А почему Вас интересует перекрытие электронных оболочек именно разных элементов? Вы полагаете, что, например, объединение двух атомов водорода в молекулу происходит как-то существенно по-иному?
Что же до сути Вашего вопроса, то Pphantom ответил, что чисто "на пальцах" это сделать очень затруднительно: даже если Вам покажется, что Вы что-то поняли, то это, скорее всего, будет просто потому, что критически переосмыслить полученный ответ Вам не хватает знаний.
Спаривание электронов с противоположными спинами в действительно существенный момент в объяснении явления в целом, но только вот спин это не вращение электронов вокруг ядра в ту или иную сторону — это как бы вращение электрона вокруг себя, любимого.

madschumacher в сообщении #1151566 писал(а):

И значит галогены тоже бывают 7ми валентными.

Канеш, бывают! Пример

[Oleg5885]

rockclimber в сообщении #1151579 писал(а):

Oleg5885
Когда вы говорите "электронные облака" и "валентность", вы должны понимать, что эти термины появились в разное время, и уровень развития науки в эти времена сильно отличался. Понятие валентности появилось задолго до того, как было выяснено строение атома, поэтому если вы оперируете этим термином, можете просто представлять себе атомы как шарики с крючками. У углерода - 4 крючка, у водорода один, и т. д. Электронные облака - это уже из области квантовой механики. И тут у нас уже не шарики с крючками, а квантовые частицы с полным набором необходимых для их описания понятий: спин, заряд, волновая функция, уравнение Шредингера и так далее. Это два разных уровня описания реальности, примерно как дом на детском рисунке и тот же том, но в чертежах в архитектурном бюро. И когда вы смотрите на детский рисунок, бессмысленно спрашивать, а где там показано соединение перекрытий с несущими стенами.

Спасибо за ответ!
Если Вас не затруднит, можете описать процесс перекрытия облаков в стиле "архитектурного бюро"? С применением современных научных терминов.
Просто не оставляет меня в покое мысль..(не получается понять/представить) - за счет чего вообще допускается перекрытие "отрицательно заряженных систем"(электронных облаков)..Почему одно облако может пересекать другое..Хотя логически они должны друг друга отталкивать...

Не знаю, но возможно Вам удастся почувствовать суть моих вопросов И соответственно дать стартовый ответ для меня
А я уже дальше буду копать потихоньку в этих направлениях и может получиться добиться прояснения в моей голове )))

Заранее спасибо

-- 16.09.2016, 15:33 --

AL Malino в сообщении #1151587 писал(а):

Прежде всего, риторический вопрос: А почему Вас интересует перекрытие электронных оболочек именно разных элементов?

Да на самом деле можно рассматривать атомы и одного элемента

AL Malino в сообщении #1151587 писал(а):

Спаривание электронов с противоположными спинами в действительно существенный момент в объяснении явления в целом...

я правильно понял, что два электрона с противоположными спинами могут приблизиться друг к другу на достаточно малое расстояние? и сила отталкивания будет незначительной? Или я как всегда снова заблуждаюсь?

[gris]

Мнение наивного обывателя. А почему должно удивлять пересечение облаков? Как раз это с точки зрения наивного обывателя (меня ) совершенно неудивительно. Ведь каждый электрон, находясь в "своей" оболочке, отталкивается от "своих" электронов, но прекрасно остаётся в облаке. Если чужой электрон попадёт в облако примерно в то же место, то он будет испытывать ровно такие же взаимодействия и с облаком, и с ядром. Да к тому же он будет отталкиваться от "своей" оболочки. Почему бы ему не остаться в пересечении?

[Munin]

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

Как с точки зрения классической физики происходит взаимодействие двух атомов разных элементов?

С точки зрения классической физики? Извольте.

Если две материальные точки. Геометрически, это центры атомов. И между ними есть взаимодействие. Это взаимодействие:
- центрально-симметричное, то есть приводит только к силам, действующим на точки вдоль линии, проходящей через них; такое взаимодействие называется центральным;
- оно:

- на очень больших расстояниях исчезает;
- на больших расстояниях является притяжением;
- на малых расстояниях является отталкиванием;
- на очень малых расстояниях растёт очень сильно, в практическом смысле - до бесконечности;

- природа его вам в рамках классической физики неизвестна, и рассчитать вы его не можете, а можете пользоваться только расчётами с барского плеча квантовой механики, и экспериментальными приближениями;
- для каждой пары элементов это взаимодействие одинаково, но для разных пар - разное. Также взаимодействие меняется, если какой-то из атомов ионизирован (причём именно меняется, а не получает простую электростатическую добавку). И самое неприятное: это взаимодействие меняется, если рядом оказывается третий атом, причём меняется сложным образом. Спасение только в том, что когда третий атом достаточно далеко (в зоне "очень больших расстояний") - его влиянием можно пренебречь.

Типичные расстояния межатомных взаимодействий - порядка $a_0$ - радиуса Бора. (Это не у Бора был такой радиус, это радиус, названный в его честь.) Значение $a_0$ полезно запомнить - это примерно $0{,}5\text{ \AA},$ где $\text{\AA}$ - ангстрем, единица длины, названная в честь шведского физика Онгстрёма. Ангстрем - это ровно $10^{-10}\text{ м}$ (легко запомнить), или 0,1 нанометра.

Итак, на расстояниях бо́льших, чем примерно пол-ангстрема - ангстрем, атомы вообще не чувствуют друг друга. Потом в ангстремовой зоне они начинают притягиваться, потом почти сразу - отталкиваться, а потом - не бывает. Они настолько сильно отталкиваются, что сблизить их не легче, чем твёрдые шарики. Размером как раз в области ангстрема. (Обратите внимание, что эти "твёрдые шарики" - условны. Например, в каждой паре элементов минимальное расстояние будет своё.)

В газе типичное расстояние между атомами - десяток ангстрем (например, в воздухе при нормальных условиях). И этого достаточно, чтобы взаимодействием можно было бы вообще пренебречь (идеальный газ).

Одно из популярных приближений для силы взаимодействия между атомами - потенциал Леннард-Джонса.
У него простая формула:

$$U(r)=\dfrac{a_1}{r^{12}}-\dfrac{a_2}{r^6}.$$

Вот типичный график (качественный):

Обратите внимание, что форма графика силы и графика потенциальной энергии схожи между собой, но сдвинуты. Обычно физики пользуются именно графиком потенциальной энергии, так что график силы не часто можно найти. Зона притяжения - это где график силы ниже нуля, а график потенциальной энергии наклонён влево. А зона отталкивания - это где график силы выше нуля, а график потенциальной энергии наклонён вправо.

Более количественно точные графики:

показывают, что нарастание отталкивания происходит очень быстро.

[AnatolyBa]

Oleg5885
Попробуйте почитать у Сивухина, том 5-1 (Атомная физика), параграф 50.
Там хоть и квантовая механика немного и интегралы, но в принципе изложение достаточно простое

[Munin]

Oleg5885 в сообщении #1151590 писал(а):

Если Вас не затруднит, можете описать процесс перекрытия облаков в стиле "архитектурного бюро"? :-) С применением современных научных терминов.

А вы не боитесь "выноса мозга"? :-)

Oleg5885 в сообщении #1151590 писал(а):

Просто не оставляет меня в покое мысль..(не получается понять/представить) - за счет чего вообще допускается перекрытие "отрицательно заряженных систем"(электронных облаков)..Почему одно облако может пересекать другое..Хотя логически они должны друг друга отталкивать...

Не знаю, но возможно Вам удастся почувствовать суть моих вопросов :D И соответственно дать стартовый ответ для меня :-)

Думаю, главное сейчас - сообщить вам, что "облако" - это условный термин. Оно не есть реально размазанный в пространстве заряд электрона (хотя многие так думают, и вы тоже). И с другой стороны - это не есть какое-то "облако вероятности", а электрон находится в какой-то одной случайной точке этого облака (хотя так тоже многие думают). Это ни то, ни другое - это более сложная штука. Иногда для каких-то простых случаев оно ведёт себя так, и иногда - для других простых случаев! - этак. Но в целом ни то ни другое. Сейчас мне предстоит сложная задача: сбить вас с одной ошибки, и не дать перескочить на другую.

Про электрон можно думать (опять: осторожно! не всегда!) как про находящийся "где-то в облаке". Теперь легко понять, почему облака могут перекрываться: первый электрон находится где-то в своём облаке, второй - где-то в другом месте в своём облаке. Что им мешает быть в разных местах?

Электроны отталкиваются, потому что они одноимённо заряжены - отрицательно. Но для них это ерунда, потому что рядом находится ядро атома, а оно заряжено гораздо сильнее, чем электрон. Говорят, что отталкиванием электронов можно пренебречь. (Можно ли? Для этого надо сделать расчёт с пренебрежением, и сравнить его с реальностью - с измеренными в эксперименте числами. Оказывается, что да, можно. Ошибка составляет проценты.) И даже в молекуле водорода $\mathrm{H_2}$: вокруг электрона три заряженные частицы, две заряжены положительно $+e,$ и одна заряжена отрицательно $-e$ (напомню, что константа $e$ считается величиной без знака) - кого электрон почувствует сильнее? Конечно, ядра.

Но в то же время, нельзя сказать, что облака совсем не отталкиваются. Отталкиваются, но странным способом, который называется запретом Паули. Этот запрет гласит, что облака должны в области пересечения поровну накладываться "с положительным знаком" и "с отрицательным знаком". Например, $2p$-орбиталь (вы наверняка знаете гантеле-образную картинку) состоит из двух половинок - "положительной" и "отрицательной" (какая из них какая - это условно можно выбрать как угодно). И вот когда она пересекается с $1s$-орбиталью (шариком), то и положительное пересечение и отрицательное пересечение зеркально симметричны и равны по величине. Именно это обусловлено запретом Паули.

Но у запрета Паули есть уточнение: каждое "облако" может содержать до двух электронов с разными спинами. И поэтому два электрона, развернув свои спины, могут умеситься в одном и том же облаке.

Oleg5885 в сообщении #1151590 писал(а):

А я уже дальше буду копать потихоньку в этих направлениях и может получиться добиться прояснения в моей голове )))

Я вас разочарую: прояснение возникнет только примерно на 3 курсе вуза, когда вы изучите квантовую механику. Впрочем, можно прочитать учебник самостоятельно и раньше, но для этого придётся прочитать ещё и стопку предварительных учебников, и в целом всё это меньше чем в 3 года укладывается с трудом.

Oleg5885 в сообщении #1151536 писал(а):

У электронов есть спины.
То есть одни электроны вращаются в одну сторону, другие в другую (вокруг ядра что-ли).

Нет: спин - это аналог "вращения вокруг своей оси" (как Земля вокруг земной оси). Но только аналог!

[madschumacher]

AL Malino в сообщении #1151587 писал(а):

Канеш, бывают!

Хоть я про 7ми валентные галогены уже вспомнил сам (перхлорат-ион, например), но Ваш пример ещё и 7ми координированный. Спасибо за него.

Oleg5885 в сообщении #1151570 писал(а):

Если оболочки (ну я как думаю) должны отталкиваться.(ведь они состоят из отрицательно заряженных электронов...)

Там весь прикол а том, что старые облака исчезают, а вместо них образуется более удобные новые.
Но почему так -- из за квантовой природы электронов.

Munin в сообщении #1151608 писал(а):

Одно из популярных приближений для силы взаимодействия между атомами - потенциал Леннард-Джонса
.

Для атомов, к сожалению, Л-Дж не подходит (только, разве что, атомов инертных газов). Он описывает прилично межмолекулярные (а атомы инертного газа, считай, молекулы и есть) взаимодействия.
Но, форма Л-Дж всё равно правильная.

[Munin]

madschumacher в сообщении #1151793 писал(а):

Для атомов, к сожалению, Л-Дж не подходит (только, разве что, атомов инертных газов).

При образовании ковалентной связи характерная форма кривой такая же.