Энергетические диаграммы двухатомных частиц, образованных элементами первого периода

а) Образование молекулярных орбиталей в молекуле водорода из атомных 1s-орбиталей.

При линейной комбинации двух атомных волновых функций Ψ_А и Ψ_В , принадлежащих атомам водорода А и В, получаются две молекулярные волновые функции:

Ψ⁺ = Ψ_А + Ψ_В

Ψ^–_. = Ψ_А – Ψ_В

Молекулярная волновая функция Ψ⁺, образующаяся в результате сложения атомных волновых функций, описывает связывающую молекулярную орбиталь σ_s. Молекулярная функция Ψ^–, образующаяся в результате взаимного вычитания атомных волновых функций, описывает разрыхляющую орбиталь σ_s*. При нахождении электронов на связывающей молекулярной орбитали полная энергия системы из двух атомов меньше, чем при нахождении электронов на исходных атомных орбиталях, а пребывание электронов на разрыхляющей орбитали увеличивает силы отталкивания между ядрами — энергия системы возрастает.

Рис. 14 Энергетическая диаграмма образования молекулы Н₂

На энергетической диаграмме (рис.14) связывающая орбиталь располагается ниже, а разрыхляющая орбиталь — выше соответствующих атомных орбиталей. Молекула водорода содержит два электрона с противоположными спинами на σ_s-орбитали. Молекула диамагнитна. Энергия связи в Н₂ равна 435 кДж/моль. Порядок связи равен 2/2 = 1.

б) Образование молекулярных орбиталей в ионе Н₂⁺

Ион Н₂⁺ состоит из двух протонов и одного электрона. На

σ-связывающую молекулярную орбиталь катиона Н₂⁺переходит один электрон атома H с выигрышем энергии. Образуется устойчивое соединение с энергией связи 255кДж/моль. Порядок связи равен 1/2. Молекулярный ион парамагнитен (рис.15).

Рис. 15 Энергетическая диаграмма образования иона Н₂⁺

в) Образование молекулярных орбиталей в частице Не

Рис. 16Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая невозможность образования химической связи между атомами He

В этом случае два электрона займут связывающую молекулярную орбиталь, а два других — разрыхляющую (рис.16). Выигрыша в энергии такое заселение двух орбиталей электронами не принесет. Порядок связи равен 2–2 =0. Следовательно, молекулы He₂ не существует.

Таблица 1 Энергия и порядок связи в молекулах элементов 1 периода

Таблица 1 показывает что в ряду Н₂⁺–Н₂–Не₂ ⁺ по мере заполнения электронами связывающей орбитали энергия и порядок связи увеличивается, а при появлении электрона на разрыхляющей орбитали, наоборот, уменьшается.

Молекула гелия в невозбуждённом состоянии не существует.