Ионная и ковалентная химические связи

[madschumacher]

(Оффтоп)

fred1996 в сообщении #1197389 писал(а):

Во многих американских школах школьники тоже умеют это делать в последних двух классах.

А чё не 4х? Насколько я помню, в High school нет ограничений на прохождении AP курсов (ну может только через требования на pre-course).

[Munin]

fred1996 в сообщении #1197435 писал(а):

Вопрос чисто терминологический.

Нет. Враньё и условности - вещи разные, как их ни называй. Для человека, знающего, в чём дело, разница наглядно видна.

-- 05.03.2017 21:16:20 --

arseniiv в сообщении #1197448 писал(а):

Зато я потом долгое время думал (не сказать чтобы думал, но если внимание обращалось, считал самим собой разумеющимся), что уровни энергии электрона (отдельного) в нейтральном атоме водорода и, скажем, в гидрид-анионе одни и те же.

Да, вот с численными значениями уровней в школьной картине напряжёнка...

[Cos(x-pi/2)]

fred1996 в сообщении #1197435 писал(а):

Представтье, что электрон летает ну по очень большой орбите вокруг ядра. А вокруг ни души?
Это Бор или кванты? А теперь мы уменьшаем радиус орбиты и постепенно это превращается в кванты

fred1996

Полет электрона "ну по очень большой орбите вокруг ядра" - да, возможен; электрон для этого действительно должен находиться, образно говоря, в "пограничном состоянии между классикой и квантами" - его "облако вероятности" $|\psi(\vec{r},t)|^2$ должно иметь вид волнового пакета, летающего по орбите большого радиуса, большого по сравнению с размерами пакета.

Однако заметим, что летающий пакет не есть стационарное состояние (ведь в стационарном состоянии $|\psi(\vec{r})|^2$ не зависит от времени, т.е. стационарное "облако вероятности" не движется и не меняет своей формы, в отличие от данного примера). Здесь $\psi(\vec{r},t)$ есть суперпозиция (сумма) разных стационарных состояний, т.е. состояний с разными значениями энергии.

Такая картина "летающего по орбите электрона" не противоречива, пока речь идёт о суперпозиции состояний с близкими значениями энергии $\varepsilon_n$ с большими значениями квантового числа: $n \gg 1.$ Действительно, при $n \gg 1$ интервалы между уровнями $\varepsilon_n$ малы по сравнению с самими значениями $\varepsilon_n$ (отсчитанными от уровня "основного состояния", т.е. от самого нижнего уровня), так что квантовые флуктуации энергии электрона в этом случае малы по сравнению с квантовым средним значением энергии (опять-таки имею ввиду отсчёт от нижнего уровня в потенциальной яме), и оно будет соответствовать рассчитаному по законам классической механики. Причём, чем больше энергия, тем как раз больше радиус орбиты; эти параметры можно в разумных пределах непрерывно менять: квантованность энергии не проявляется заметным образом, пока интервалы между энергетическими уровнями можно считать малыми.

К чему эти многословные подробности? А к тому, что вот это место:

fred1996 в сообщении #1197435 писал(а):

А теперь мы уменьшаем радиус орбиты и постепенно это превращается в кванты

принципиально не верное. Уменьшать радиус - значит, уменьшать энергию электрона. И когда электрон доберётся до нижнего уровня энергии (в кулоновской потенциальной яме атомного ядра), то от классической картины "орбиты" уже ничего не останется: невозможно иметь маленький волновой пакетик, летающий по орбите Бора с энергией, соответствующей нижним уровням в атоме.

Потому в учебниках и "рисуют электронные оболочки различной формы", что дать нам некоторое наглядное представление о стационарных состояниях электрона на нижних уровнях энергии в атоме в терминах соответствующей плотности вероятности $|\psi_{n,l,m}(\vec{r})|^2$ могут именно они, а вовсе не "орбиты Бора". Орбит Бора с энергиями нижних уровней квантовая механика принципиально не допускает.

(Так что, в наши дни вывод уровней энергии из "модели атома с орбитами" - жестокое враньё, обман; тем более, что по ходу этого вранья не верно указывается момент импульса электрона на нижнем уровне энергии, и теряется очень важная информация: о кратности вырождения уровней энергии атома.

А Бору это простительно, и даже ставится в заслугу. Потому что он первый догадался о дискретности внутренней энергии атома, задолго до открытия квантовой механики. Догадка о дискретности энергетических уровней и сама формула Бора для этих уровней в одноэлектронном атоме - верные (за исключением ошибочного представления о значениях момента импульса и о кратности вырождения уровней). Всё остальное, т.е. картинка орбит и сам вывод Бором его формулы, - принципиально неверные).

(Оффтоп)

Не точная, но немножко всё-таки аналогия - примерно таким же враньём можно "научить" первоклассника решать квадратное уравнение $x^2-2x+1=0.$ Скажем ребёнку: вычеркни всё, кроме единички, единичка и есть ответ. Способ этот хорош тем, что он очень простой; правда, он может оказаться неприменимым к уравнению с другими коэффициентами, да и кратность корня не выявляет, но так ли это важно?

[Alex-Yu]

arseniiv в сообщении #1197448 писал(а):

Впрочем, какие молекулярные орбитали в школе?

Вот и о том же. А без орбиталей все эти стрелочки... Как бы помягче сказать... Не могу найти приличных слов, увы

[Mikhail_K]

Alex-Yu в сообщении #1197619 писал(а):

Вот и о том же. А без орбиталей все эти стрелочки... Как бы помягче сказать... Не могу найти приличных слов, увы

Я помню, в каком восторге был я, когда я был школьником и нашёл книжку по химии с этими стрелочками.
Потому что в школьном учебнике химии вместо стрелочек было написано так: каждый атом стремится иметь ровно 8 электронов на внешнем электронном уровне. И ковалентная связь случается тогда, когда путём обобществления электронов оба атома могут достичь этой своей цели.
Несостоятельность такой "теории" я понял довольно быстро: во-первых, она пасует уже перед $H_2SO_4$, во-вторых, попахивает какой-то мистикой)
По сравнению с этим метод валентных связей, со стрелочками, неизмеримо более логичен и реалистичен.
И ни про какие ящики в атоме, конечно же, у меня представления не возникло.

Что касается молекулярных орбиталей, то, насколько я знаю, метод молекулярных орбиталей (где все орбитали принадлежат целиком молекуле) также является упрощением по сравнению с полноценной квантовой механикой, что и метод валентных связей (где каждая связь локализована между двумя атомами).
Разница в том, что первый школьникам рассказать невозможно, а второй - можно и нужно. Причём именно рисуя упомянутые здесь стрелочки.

[Munin]

Alex-Yu в сообщении #1197619 писал(а):

Вот и о том же. А без орбиталей все эти стрелочки...

Как бы вам сказать...

Не надо путать атомные орбитали (которые в школе есть) и молекулярные (которых в школе нет).

[arseniiv]

Ну вообще в школе и с атомными не всё замечательно. Вот гибридизация, например. Квантовая механика говорит нам, что если электрон может быть в состоянии $s$ и в состоянии $p_x$, то он может быть и в их суперпозиции, а школьная химия просто молчит, а потом начинается гибридизация и слова о том, что здесь-де она есть, а здесь-де её нет без объяснения причин и того, что если у нас есть отдельный атом водорода, ничто не мешает его электрону быть в как угодно странно раскладывающемся по выбранному базису состоянии.

[Munin]

arseniiv в сообщении #1197658 писал(а):

Ну вообще в школе и с атомными не всё замечательно.

Не всё. А я и не говорю, что всё.

arseniiv в сообщении #1197658 писал(а):

Квантовая механика говорит нам, что если электрон может быть в состоянии $s$ и в состоянии $p_x$, то он может быть и в их суперпозиции

Ну, тут есть та фишка, что энергии этих состояний разные, и суперпозиция быстро разрушается. Да и вообще, полноценный курс КМ школьная программа не потянет, даже если занять под неё одновременно всю физику и всю химию.

[fred1996]

Munin в сообщении #1197672 писал(а):

Да и вообще, полноценный курс КМ школьная программа не потянет, даже если занять под неё одновременно всю физику и всю химию.

Основная проблема - где взять на это преподавателей. Чтобы они не отравляли детям мозги Бором. :)

(Оффтоп)

Американскую школу можно закончить вообще без физики. В некоторых школах это необязательный предмет. Если же в дальнейшем человек решит, что ему физика нужна в каком-то объеме для пререквизитов, он может пойти в ближайший коммьюнити колледж и взять практически любой школьный предмет. Даже после окончания школы человек не отрезан от среднего образования. Мне приходилось вести школьную алгебру у студентов медвузов онлайн. На уровне квадратных уравнений.

[madschumacher]

Alex-Yu в сообщении #1197619 писал(а):

А без орбиталей все эти стрелочки...

Не рисуют эти стрелочки без предварительного объяснения орбиталек. Не наезжайте на все учебники химии зря!

Mikhail_K в сообщении #1197623 писал(а):

Что касается молекулярных орбиталей, то, насколько я знаю, метод молекулярных орбиталей (где все орбитали принадлежат целиком молекуле) также является упрощением по сравнению с полноценной квантовой механикой, что и метод валентных связей (где каждая связь локализована между двумя атомами).

Сами концепции МО и ВС -- не являются упрощением. Просто теории хим. связей (в бОльшей степени -- качественные, ну или полуколичественные) -- это по-сути остановка на начальном приближении (т.е. мы его построили из каких-то соображений, кучу всего пообрубав по дороге). С этим связаны успехи и фейлы обоих методов в разных областях. А развитие концепций МО и ВС в большие численные расчёты "в лоб" дают один и тот же результат (т.к. они обе -- просто 2 альтернативных способа построения начальной аппроксимации для волновой функции всех электронов). Другое дело, что для рутинных реализаций более удачным оказался метод МО. А ВС -- для "рисования картинок" и объяснения на пальцах.
Так и живём.

Munin в сообщении #1197637 писал(а):

и молекулярные (которых в школе нет)

У нас МО есть в олимпиадной химии. А в других странах -- в advanced школьной.

[Osmiy]

fred1996 в сообщении #1197267 писал(а):

Например, ковалентная связь в решетке алмаза вряд ли с чем может сравниться. Есть ли такого порядка прочности ионные связи?

Вы перепутали прочность связи с твердостью кристалла и его хим. инертностью.
Энергия связи между атомами углерода в алмазе такая же как в углеводородах порядка 300 кДж/моль.
Энергия ионной связи у хлорида натрия 765 кДж/моль.
А чтобы корунд расщепить на ионы потребуется 15 МДж/моль.