Номер 5, страница 302 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

Обсудите, какое взаимодействие отвечает за ковалентную связь атомов в молекулах. Проявляется ли здесь свойство насыщения?

Какое взаимодействие отвечает за ковалентную связь атомов в молекулах?

Ковалентная связь между атомами в молекулах возникает в результате электромагнитного взаимодействия. Однако её природа является чисто квантовомеханической и не может быть полностью объяснена в рамках классической физики. Основу этого явления составляет совместное использование (обобществление) валентных электронов взаимодействующими атомами.

Ключевую роль в образовании ковалентной связи играет обменное взаимодействие. Это специфический квантовый эффект, который не имеет аналога в классическом мире и является следствием принципа тождественности электронов и принципа запрета Паули. Когда атомы сближаются, их валентные электроны с противоположно направленными спинами могут образовать общую электронную пару. Эта пара принадлежит обоим атомам и занимает так называемую молекулярную орбиталь.

Отрицательно заряженные электроны, находящиеся в пространстве между положительно заряженными ядрами, притягивают оба ядра к себе. Это кулоновское притяжение электронов к ядрам компенсирует и превосходит силу электростатического отталкивания между ядрами. В результате общая энергия системы понижается, что приводит к образованию устойчивой химической связи и формированию молекулы. Плотность вероятности нахождения электронов на связывающей молекулярной орбитали максимальна именно в межъядерном пространстве, что и обеспечивает "сцепление" атомов.

Ответ: За ковалентную связь отвечает электромагнитное взаимодействие, которое на квантовом уровне проявляется как обменное взаимодействие. Оно приводит к обобществлению электронов и возникновению силы притяжения, удерживающей атомы вместе в молекуле.

Проявляется ли здесь свойство насыщения?

Да, для ковалентной связи свойство насыщения (или насыщаемости) является одной из фундаментальных и важнейших характеристик. Насыщение означает, что атом может образовать лишь строго ограниченное, определённое число ковалентных связей с другими атомами.

Это свойство напрямую вытекает из электронного строения атома. Количество ковалентных связей, которые может образовать данный атом, определяется числом его неспаренных валентных электронов, способных участвовать в образовании общих электронных пар. Иногда связи могут образовываться и по донорно-акцепторному механизму, но и в этом случае их число ограничено наличием свободных валентных орбиталей.

Например:

• Атом водорода ($H$) имеет один валентный электрон и может образовать только одну ковалентную связь.
• Атом кислорода ($O$) в основном состоянии имеет два неспаренных валентных электрона и, как правило, образует две ковалентные связи (например, в молекуле воды $H_2O$).
• Атом углерода ($C$) в возбужденном состоянии имеет четыре неспаренных валентных электрона и способен образовать четыре ковалентные связи (например, в молекуле метана $CH_4$).

После того как все валентные возможности атома для образования связей исчерпаны, он становится "насыщенным" и не может вступать в дополнительные ковалентные взаимодействия. Этим ковалентная связь кардинально отличается от ионной или металлической связей, которые являются ненасыщенными и ненаправленными. В ионном кристалле, например, каждый ион взаимодействует со всеми ближайшими соседями противоположного знака.

Ответ: Да, для ковалентной связи характерно свойство насыщения. Это означает, что атом может образовать только ограниченное число таких связей, которое определяется его электронным строением (в первую очередь, количеством валентных электронов).