Ионная и ковалентная химические связи

[fred1996]

На уроках концептуальной физики мне приходится без громоздких формул объяснят шестикласникам всевозможные физические принципы.
В разделе, посвященном атомам и межатомным силам рассказывается о химических связях.
Приводятся примеры ионных и ковалентных связей. Говорится, что ионные связи слабее ковалентных, но при этом не объясняется почему. Не знаю, можно ли тут обойтись без квантовой механики, но у меня есть собственное квазиклассическое объяснение ионной связи. Прошу меня поправить, если я понимаю что-то не так.
Типичный пример ионной связи можно проследить на соединении $NaCl$. Обычная соль.
В соединении участвует атом натрия, который в свободном состоянии имеет один электрон на внешней оболочке и атом хлора, имеющий семь таких электронов.
Что получается? Этот единственный электрон удерживается притяжением суммарного положительного электрического заряда и экранирующим отталкиванием электронов внутренних оболочем. То есть суммарный эквивалентный заряд получается $+e$
Теперь рассмотрим, что будет, если мы смешаем атомы натрия и хлора так, что они станут соседями. У атома хлора во внешней оболочке есть одно вакантное место. Если туда добавить лишний электрон, то он не будет отталкиваться суммарным зарядом нейтрального атома хлора, а наоборот будет притягиваться, потому что у нас образуется 8 равноправных электронов во внешней оболочке. Нетрудно прикинуть, как они будут притягиваться всей конструкцией, если рассматривать атом в квазиклассической схеме. Снаружи внешней оболочки будет создаваться поле как от одного отрицательного электрона $-e$
Зато между внешней и последующей оболочками создается поле как от положительного заряда $+7e$. Чтобы выяснить, какое на самом деле создается поле, воздействующее на электрон внешней оболочки, надо просто усреднить внутреннее и внешнее поле. В результате получаем как бы поле от заряда $+3e$, что в 3 раза превышает притяжение внешнего электрона в атоме натрия. И таким образом энергетически выгоднее становится полный захват этого электрона атомом хлора. Вся конструкция разбивается на отрицательные ионы хлора и положительные натрия. Имеем достаточно хлипкую кристаллическую решетку легко растворяется в воде, разбиваясь на отдельные ионы.

Теперь ковалентная связь. При такой связи какие-то электроны во внешних оболочках становятся общими, образуя совместные электронные облака. Можно ли объяснить детям на пальцах, как это я попытался с ионной связью, почему возникают такие связи, почему они сильнее ионных связей без привлечения квантовой механики?
Например, структура решетки алмаза является идеальной с точки зрения использования всех возможных ковалентных связей. Интуитивно ясно, что такая пирамидальная стркутура энергетически самая выигрышная. Но как понять, во сколько раз она прочнее ионных связей опять без применения тяжелой артиллерии?
Буду признателен за любые замечания.
В химии я вообще не силен, но поместил я это сообщение у физиков потому что мне кажется толку от физиков в этом вопросе будет поболее.

[DimaM]

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Имеем достаточно хлипкую кристаллическую решетку легко растворяется в воде, разбиваясь на отдельные ионы.

(Оффтоп)

Тут что-то не так с русским языком.

Не такая уж она и хлипкая - попробуйте-ка поваренную соль расплавить или испарить.

[madschumacher]

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

То есть суммарный эквивалентный заряд получается $+e$

Вам не кажется, что суммарный заряд всё же 0?

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Зато между внешней и последующей оболочками создается поле как от положительного заряда $+7e$. Чтобы выяснить, какое на самом деле создается поле, воздействующее на электрон внешней оболочки, надо просто усреднить внутреннее и внешнее поле. В результате получаем как бы поле от заряда $+3e$, что в 3 раза превышает притяжение внешнего электрона в атоме натрия. И таким образом энергетически выгоднее становится полный захват этого электрона атомом хлора.

Пожалуйста, не травмируйте детям мозги подобным (знаю, что это сложно сделать, но всё же)...

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Имеем достаточно хлипкую кристаллическую решетку легко растворяется в воде, разбиваясь на отдельные ионы.

DimaM в сообщении #1192203 писал(а):

Не такая уж она и хлипкая - попробуйте-ка поваренную соль расплавить или испарить.

А оценку этой "хлипкости" можете получить из Борновской модели для энергии кристаллической решётки.

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Теперь ковалентная связь.

Вообще, $\mathrm{NaCl}$ является примером как ионной связи (в кристалле), так и ковалентной (в газе, 2х атомная молекула с соответствующей формулой). Химическая связь на то и химическая связь, чтобы квантовой механикой описываться. Когда 2 атома одни во Вселенной висят в вакууме, то они образуют обобществлённую электронную систему (понятно, что совместная электронная пара натрия и хлора будет чаще "тусоваться" рядом с хлором, но всё же, полный "отрыв" не выгоден, для оценки нужно привлечение квант.меха). Но когда они рядом и их много (считаем, что $\infty$-но), то (из той же Борновской модели видно), что $\mathrm{Na}$ выгоднее будет полностью отдать электрон $\mathrm{Cl}$, в результате чего и образуется красивенькая ячейка, состоящая из $\mathrm{Na^+}$ и $\mathrm{Cl^-}$.

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

пирамидальная стркутура

это называется "тетраэдрическая". Примером "пирамидальной" структуры является аммиак $\mathrm{NH_3}$:

[fred1996]

madschumacher в сообщении #1192211 писал(а):

Вам не кажется, что суммарный заряд всё же 0?

Нет не кажется.
Я рассматриваю нейтральный атом натрия и соответственно взаимодействие электрона из внешней оболочки с оставшимся положительным зарядом.

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Зато между внешней и последующей оболочками создается поле как от положительного заряда $+7e$. Чтобы выяснить, какое на самом деле создается поле, воздействующее на электрон внешней оболочки, надо просто усреднить внутреннее и внешнее поле. В результате получаем как бы поле от заряда $+3e$, что в 3 раза превышает притяжение внешнего электрона в атоме натрия. И таким образом энергетически выгоднее становится полный захват этого электрона атомом хлора.

Цитата:

Пожалуйста, не травмируйте детям мозги подобным (знаю, что это сложно сделать, но всё же)...

А что не так?

DimaM в сообщении #1192203 писал(а):

Не такая уж она и хлипкая - попробуйте-ка поваренную соль расплавить или испарить.

Цитата:

А оценку этой "хлипкости" можете получить из Борновской модели для энергии кристаллической решётки.

Эпитет хлипкий я употребил исключительно в сравнении с ковалентной связью ни в коей мере не покушаясь на ее иные достоинства.

fred1996 в сообщении #1192194 писал(а):

Теперь ковалентная связь.

Цитата:

Вообще, $\mathrm{NaCl}$ является примером как ионной связи (в кристалле), так и ковалентной (в газе, 2х атомная молекула с соответствующей формулой). Химическая связь на то и химическая связь, чтобы квантовой механикой описываться. Когда 2 атома одни во Вселенной висят в вакууме, то они образуют обобществлённую электронную систему (понятно, что совместная электронная пара натрия и хлора будет чаще "тусоваться" рядом с хлором, но всё же, полный "отрыв" не выгоден, для оценки нужно привлечение квант.меха). Но когда они рядом и их много (считаем, что $\infty$-но), то (из той же Борновской модели видно), что $\mathrm{Na}$ выгоднее будет полностью отдать электрон $\mathrm{Cl}$, в результате чего и образуется красивенькая ячейка, состоящая из $\mathrm{Na^+}$ и $\mathrm{Cl^-}$.

Газы, это отдельная тема. У меня задача рассказать про хим. связи в твердых телах.
За тетраэдричность отдельное спасибо.

Ну так как? Можно ли объяснить школьникам на пальцах, почему ионные связи слабее ковалентных, почему в одних случаях электроны полностью перескакивают, а в других образуют прочные межатомные связи? Дети же вопросы задают.
Например в следующем разделе про силы внутри ядра можно достаточно просто объяснить почему для легких элементов реакция синтеза (fusion) протекает с высвобождением энергии в то время как для тяжелых элементов энергия выделяется в результате распада (fission).

[madschumacher]

fred1996 в сообщении #1192232 писал(а):

А что не так?

Вам не кажется, что Вы несколько спекулятивно из "полевых" характеристик получаете энергии?

fred1996 в сообщении #1192232 писал(а):

Эпитет хлипкий я употребил исключительно в сравнении с ковалентной связью ни в коей мере не покушаясь на ее иные достоинства.

Даже подобное сравнение с ковалентной связью, имхо, не очень правильное и корректное. Ковалентная связь вполне может быть слабее, чем ионная, и наоборот. Но, может это я сутра туплю...

[fred1996]

madschumacher в сообщении #1192233 писал(а):

Вам не кажется, что Вы несколько спекулятивно из "полевых" характеристик получаете энергии?

Не более спекулятивно чем Бор при конструировании своей модели атома водорода.

fred1996 в сообщении #1192232 писал(а):

Эпитет хлипкий я употребил исключительно в сравнении с ковалентной связью ни в коей мере не покушаясь на ее иные достоинства.

Цитата:

Даже подобное сравнение с ковалентной связью, имхо, не очень правильное и корректное. Ковалентная связь вполне может быть слабее, чем ионная, и наоборот. Но, может это я сутра туплю...

Вы знаете, и десятилетний ребенок может быть сильнее иного взрослого дяди, особенно когда дядя находится в нековалентном состоянии.

[Munin]

fred1996 в сообщении #1192241 писал(а):

Не более спекулятивно чем Бор при конструировании своей модели атома водорода.

Ну так модель Бора и полетела в мусор вполне заслуженно.

[fred1996]

Munin в сообщении #1192253 писал(а):

fred1996 в сообщении #1192241 писал(а):

Не более спекулятивно чем Бор при конструировании своей модели атома водорода.

Ну так модель Бора и полетела в мусор вполне заслуженно.

Что значит полетела?
Для водорода вполне приличное соответствие с решениями уравнения Шредингера.
Или вы считаете, что нефиг детям рассказывать о физике, пока не освоят дифуры?

[Munin]

fred1996 в сообщении #1192263 писал(а):

Для водорода вполне приличное соответствие с решениями уравнения Шредингера.

Это единственное место, где она чему-то соответствует.

fred1996 в сообщении #1192263 писал(а):

Или вы считаете, что нефиг детям рассказывать о физике, пока не освоят дифуры?

Я считаю, что нефиг детям ВРАТЬ. В том числе о физике.

Если вы не в курсе, что модель Бора закончилась в 1925 году, вы ничего не знаете о физике, и не имеете права о ней рассказывать.

[fred1996]

To Munin
Если вы не в курсе, то дети в школе до сих пор пользуются законами Ньютона.
А Модель атома Бора излагается во всех учебниках общей физики и сравнивается с квантомеханическим решением. И рассказывается, какие квазиклассические приближения использовались для посторения этой модели. И рассказывается, как можно "вывести" уравнение Шредингера а не постулировать его. И нигде не говорится, что это все вранье.
Детям в школе не рассказывают о том, что магнетизм, это просто расширение электростатики на движущиеся системы с помощью СТО. Много чего умалчивают, чтобы постепенно вводить в курс. А собственно большинство на этом и заканчивает с физикой ввиду ненадобности в дальнейшем.

[madschumacher]

fred1996 в сообщении #1192279 писал(а):

Если вы не в курсе, то дети в школе до сих пор пользуются законами Ньютона.

Если Вы не в курсе, люди вообще ими не перестали пользоваться (в рамках их применимости и чуть-чуть beyond).

[fred1996]

madschumacher в сообщении #1192282 писал(а):

fred1996 в сообщении #1192279 писал(а):

Если вы не в курсе, то дети в школе до сих пор пользуются законами Ньютона.

Если Вы не в курсе, люди вообще ими не перестали пользоваться (в рамках их применимости и чуть-чуть beyond).

Так о чем спор, о рамках применимости?
Тогда объясните мне, чем так плоха модель Бора для атома водорода, которая исторически и является перекидным мостиком между классическим и современным периодами? Почему ее не надо изучать? И вообще, как преподавать школьникам вопросы, посвященные современной физике без матаппарата, которым они еще не овладели, а большинство и вообще не овладеют.

Я задал в заглавном посте вполне конкретный вопрос, как объяснить школьникам ковалентную и ионную связь без привлечения квантовой механики. Дал свой квазиклассический вариант. А вместо советов услышал ругань от Заслуженных участников?
Это что, нормальная беседа?

[warlock66613]

fred1996 в сообщении #1192279 писал(а):

Модель атома Бора излагается во всех учебниках общей физики

В учебнике Матвеева (судя по моим воспоминаям и оглавлению) не излагается.

fred1996 в сообщении #1192279 писал(а):

И нигде не говорится, что это все вранье.

Но меньшим враньём оно от этого не становится, ведь так?

-- 13.02.2017, 14:08 --

fred1996 в сообщении #1192286 писал(а):

Почему ее не надо изучать?

Потому что она не имеет отношения к (современной) физике.

[fred1996]

Я помню, что в мою бытность студентом мы изучали модель Бора. И даже считали поправки на вращение вокруг общего центра тяжести. Я говорю про атом водорода.
И у меня под руками 2 самые распространенные американские книжки университетских курсов общей физики с элементами modern physics. Это Холидей и Резник, Янг и Фридман.
В обеих достаточно скрупулезно рассматривается боровская модель, сравнивается с квантомеханической и отмечается полное соответствие основных энергетических уровней. Хотя и говорится, что концепции разные. И далее рассказывается, что в дальнейших деталях, когда вводятся дополнительные квантовые числа, современная модель дает лучший результат.

[Gickle]

fred1996
А какая концепция у модели Бора, не считая "надо как-то объяснить экспериментальные результаты, запостулирую-ка я..."? У меня на Нильса Бора и в мыслях нет наезжать, но вся эта модель атома водрода была просто временным костылём.