Решен пример: Интерпретиране на криви на потенциалната енергия на двуатомни молекули

В предишно видео разглеждахме потенциалната енергия като функция на междуядреното разстояние при двуатомни молекули. Какво имам предвид под двуатомни молекули? Разгледахме молекулярен водород, или Н2, което са просто два водородни атома, ковалентно свързани заедно. При стандартни температура и налягане, те естествено биха... разстоянието между двете ядра е равно на разстоянието, което се характеризира с най-ниска потенциална енергия. Ако искаш да сближиш двата атома, ще трябва да вложиш енергия в системата което ще доведе до по-висока потенциална енергия. Или ако ги раздалечиш ще трябва да вложиш енергия в системата и ще имаш по-висока потенциална енергия. В това видео искам да разгледаме решен пример. Тук имаме графично представени три потенциални енергии като функция на междуядреното разстояние. И това, което ще ти кажа, е, че една от тези графики съответства на молекулярен водород, една от тях е за молекулярен азот, или двуатомен азот, N2, а една от тях е за двуатомен кислород. И това, за което искам да помислиш – постави видеото на пауза и помисли коя графика съответства на потенциалната енергия като функция на междуядреното разстояние за всяка от тези двуатомни молекули. И ще ти дам подсказка. Разгледай най-ниската точка на потенциалната енергия. Най-ниската стойност на потенциалната енергия е тази стойност, която обикновено ще наблюдаваш за междуядреното разстояние на тази двуатомна молекула при стандартни температура и налягане. Това разстояние тук ще е функция на две неща. Ще е функция на това колко малки са атомите, колко малки са тези радиуси. Като цяло, колкото по-малки са атомите, толкова по-късо стабилно междуядрено разстояние ще имат. Но другото нещо, за което да помислим, е от какъв порядък са връзките между тези атоми и ще ти дам малка подсказка. Двуатомният водород – при него имаш само единична ковалентна връзка. В двуатомния азот имаме тройна връзка. При двуатомния кислород има двойна връзка. Колкото по-висок е порядъкът на връзката, толкова по-близо ще се намират двата атома което ще увеличи енергията на връзката – енергията, необходима за разделяне на атомите. Спомни си, че говорихме за това в предишно видео – това разстояние тук съответства на енергията на връзката. (показва на чертежа) Като имаш това предвид, спри видеото и опитай да определиш коя от тези графики е на Н2, коя е N2 и коя е О2? Нека първо да разсъждаваме въз основа на енергията на връзката. Ако разгледаме единична връзка, двойна връзка и тройна връзка, ще очакваме връзката от най-висок порядък да има най-висока енергия на връзката и най-високата енергия на връзката е тази розовеещата се. (чертае) Въз основа на този критерий мога да очаквам, че тази графика принадлежи на N2. Тази графика тук в розово изглежда като двуатомен азот. Следващата най-висока енергия на връзката, ако разгледаш диаграмата внимателно, изглежда е при тази лилавата графика. И въз основа на порядъка на връзката бих казал, че тази графика съответства на О2. И най-ниската енергия на връзката виждаме при тази графика ето тук в синьо. Ако имаме предвид порядъка на връзката, това изглежда е просто единична ковалентна връзка, което съответства на двуатомен водород. Да разгледаме също и радиусите на тези атоми. Ако вземем периодична таблица на елементите, можем да видим, че водородът има само един електрон в своя първи слой, така че радиусът му ще е най-малък. Така че е логично, че разстоянието, което съответства на най-ниска потенциална енергия, е най-късо за двуатомна молекула, която е изградена от най-малките атоми. Но когато разгледаш другите две молекули, се случва нещо интересно. Спомни си, че радиусът на атомите се увеличава, докато слизаш надолу по групите. Обаче когато отиваш надясно в даден период, радиусът намалява, въпреки че добавяш все повече и повече електрони към същия слой, силите на Кулон се увеличават между този най-външен слой и ядрото. Ако отчетем тази закономерност, докато преминаваш от азота до кислорода, ще очакваш атомният радиус да стане малко по-малък. Те са точно един до друг. Може да са близо, но можеш да кажеш, че при кислорода имаш един допълнителен електрон в същия този втори слой, може би радиусът ще е малко по-малък. Въз основа само на този критерий, можем да кажем, че междуядреното разстояние, което съответства на оранжевата крива е малко по-късо, може би това е кислород, а може би лилавата крива е за азота. Но радиусите ще са близки и ще кажа, че като цяло, порядъкът на връзката ще надделее над другите неща. И порядъкът на връзката – понеже виждаш тази висока енергия на връзката, това е най-голямата подсказка, че ще имаш връзка от по-висок порядък при двуатомната молекула N2. Те имат близки атомни радиуси, но порядъкът на връзката има най-голямо значение. Тези два азотни атома може да са малко по-близо един до друг, въпреки че радиусите им са малко по-големи. Така че съм сигурен, че нашият отговор на въпроса е верен.