Почему Возможно Спаривание Электронов
Автор: Михаил Иоелович, профессор, д.х.н.
30 августа с.г. в журнале «Наука и Жизнь Израиля» была опубликована моя статья под названием «О ПРИРОДЕ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ» (см. https://nizinew.com/novosti- sajta/o-prirode-ximicheskoj-svyazi.html). В ней дискутировался механизм образования ковалентной химической связи между двумя атомами путем спаривания валентных электронов с противоположными спинами. Рассматривались несколько идей о том, как происходит образование такой связи. Однако, независимо от предложенных идей и гипотез, ни одна из них не объясняла, почему спаривание валентных электронов
вообще возможно, если отрицательно заряженные электроны в паре должны отталкиваться друг от друга и разрушать, а не образовывать ковалентную связь. В качестве противодействия силам кулоновского отталкивания электронов может
выступать как гравитация, так и электромагнитное притяжение двух спаренных электронов.
Однако, чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, необходимо провести оценочные расчеты, используя упрощенную модель электрона как релятивисткой частицы, квази-вращение которой приводит к возникновению спина, кругового тока, магнитного момента и электромагнетизма.
Были рассмотрены следующие варианты взаимодействия двух спаренных электронов.
Первый вариант: два электрона находятся на минимальном расстоянии L друг от друга равном двум эффективным классическим квантовым радиусам электрона:
L= 2r = 5.64 x 10^-15 (m)
Тогда силу кулоновского отталкивания (repulsion) двух электронов можно оценить с помощью хорошо известного уравнения:
F r,c = — 0.25 k (e/r)^2
где константа k= 8.99 x 10 9 (N m 2 /C 2 ), а заряд электрона e= 1.6 x 10^-19 (C). Знак минус этой силы означает отталкивание.
Подставляя все константы, получим, что сила кулоновского отталкивания двух электронов составит
F r,c = — 7.2 N.
Второй вариант: два электрона, находящиеся на минимальном расстоянии L друг от друга равном двум эффективным классическим квантовым радиусам электрона,
притягиваются (attracted) друг к другу вследствие гравитации, силу которой оценивали с помощью уравнения:
F a,g = 0.25 G (m/r)^2
где константа G= 6.67 x 10 -11 , N (m/kg)^2, а масса электрона m= 9.11 x 10^-31 (kg).
Согласно расчетам, F a,g = 1.741 x 10^-42 N.
Величина этой силы столь незначительна, что ей можно пренебречь. Таким образом, сила гравитационного притяжения очень мала, и не способна противостоять кулоновскому отталкиванию двух электронов.
И наконец рассмотрим третий вариант – возможность возникновения электромагнитного притяжения (electro-magnetic attraction) между двумя спаренными электронами с противоположными спинами. В литературе приведено уравнение для
расчета силы электромагнитного притяжения действующую на атом водорода со стороны электромагнита на расстоянии L, когда круговой ток в электромагните имеет силу I, а его радиус равен r.
(см. http://fn.bmstu.ru/data-physics/library/physbook/tom5/ch5/texthtml/ch5_5.htm)
F a,em =1.5 μ o μ b I L (r^2)/(r^2 + L^2)^5/2
Мы использовали это уравнение для электрона вместо атома водорода. При этом учитывали, что для электронной пары L= 2r. Тогда можно получить следующее модифицированное уравнение:
F a,em =0.0537 μ o μ b I /r . ^2
где μ o = 4π x10 -7 (N/A^2) – константа магнитной проницаемости в вакууме;
μ b = 9.274 x 10 -24 (J/Ts)– магнетон Бора.
Силу тока для модели квази-вращающегося электрона можно оценить, если считать, что линейная скорость электрона близка к световой (c). Тогда сила кругового тока для пары электронов будет иметь следующую величину:
I = 2e c/r = 3.4 x 10^4 (A).
Зная все константы, находим, что сила электромагнитного притяжения между двумя спаренными электронами с противоположными спинами составит: F a,em = 2670 N.
Поскольку величина F a,еm в 380 раз больше силы кулоновского отталкивания между электронами F r,c , то приведенные оценочные расчеты могут являться убедительным аргументом в пользу того, что именно возникновение силы электромагнитного притяжения у квази-вращающихся электронов с противоположными спинами позволяет преодолевать Кулоновское отталкивание и способствуют устойчивому спариванию валентных электронов атомов с образованием ковалентной химической связи.
Спины электронов меняют свое пространственное направление случайно и очень быстро. И когда при столкновении атомов вследствие их теплового движения спины их внешних валентных электронов случайно оказываются антипараллельными друг другу, тогда и происходит образование химической связи вследствие электромагнитной аттракции.
Термодинамика позволяет получить данные об энергии (Е) образующейся ковалентной связи. Так, например, энергия одной ковалентной связи, образованной парой валентных электронов атомов, для молекулы водорода составляет Е (H-H) = 4.5 eV, для молекулы кислорода
Е(О-О) = 2.6 eV,
а для молекул хлора и азота было установлено значение энергии одной ковалентной связи, составляющей 2.5 eV. Для часто встречающейся в органической химии С-С связи Е(С-С) = 3.6 eV.
При образовании ковалентной связи между разными атомами, энергия одной связи составляет: E (O-H) = 4.7 eV, E(C-H) =
4.2 eV, а E(C-O) = 3.6.
Разница в значениях энергий связей вызвана, по-видимому, разной электроотрицательностью различных атомов.
Предлагаемый электромагнитный механизм образования ковалентной связи на фемто- метровом атомном уровне может объяснить не только возникновение связующих молекулярных орбиталей, но и механизм спаривания электронов в орбиталях самих атомов, когда их спины случайно оказываются антипараллельно направленными относительно друг друга. Если же в атомах присутствуют неспаренные электроны, то они удерживаются на своих энергетических уровнях и подуровнях по известному механизму — вследствие их кулоновского притяжения к положительно заряженному ядру.
Иллюстрацция: Хайтек
