Nizomiy nomidagi toshkent davlat pedagogika universiteti

18. Kimyoviy bog`ning kvant kimyoviy nazariyasi

Kimyoviy bog` degan tushuncha kvant kimyoda katta o`rin tutadi.Chunki molekulalar, ionlar va radikallar kimyoviy bog` tufayli mavjuddirlar.

Kimyoviy bog`ning nazariyasi quyidagi savollarga javob berishi kerak:

1. Nima uchun va qanday qilib molekula hosil bo`ladi.

2. Nima uchun atomlar bir-birlari bilan ma`lum nisbatda birikadilar. Masalan H₂ va CH₄ mavjud, H₃ va CH₃ molekulalari mavjud emas.

3. Kimyoviy bog`ning tabiati qanday. Nima uchun ba’zi molekulalar qarorli, bazilari esa qarorsiz.

Kimyoviy bog`ning nazariyasi birdan yaratilgan emas. Umimg yaratilishida bir qancha gepetezalar bo`lgan.

Kimyoviy bog`ni tushunturmoqchi bo`lgan gepotezalardan birinchisi XIX asrning boshlarida Bergman (shvetsiya) va Bertolle degan olimlar tomonidan taklif qilingan gipotezadir.Bu olimlar kimyoviy bog`ni butun dunyo tortilish qonuni asosida tushuntirishni taklif qilgan p=_ m₁ va m₂ lar 1 chi va 2 chi atomlarning massalari, r-atomlar orasidagi masofa.

Yuqoridagi formuladan ko`rinib turibdiki agar kimyoviy bog`ning hgosil bo`lishi butun dunyo tortilish qonuniga boysunganda massalari katta bo`lgan atomlar o`rtasidagi bog` kuchli bo`lishi kerak, Hg<sub>2</sub>O dagi bog` H₂O dagidan mustahkam bo`lishi kerak edi. Lekin tarjibada bo`ning teskarisi bo`lib chiqdi.

Ikkinchidan massalarning tortilish kuchi katta masofalarda ham ta`sir qilaveradi. Kimyoviy kuchning ta`sir sferasi angstremlar bilan o`lchanadi.

Uchinchidan massalarning tortilish kuchi to`yinuvchan emas. Kimyoviy bog` esa to`yinuvchan va yo`nalishga ega.

Nihoyat, kimyoviy kuch spetsifik hususiyatga ega, yani ma`lum elementlarning atomlari ma`lum element atomlari bilan birikadi. Masalan, natriy atomi xlor atomi bilan kuchli bog` hosil qiladi.

Massalar tortilish qonuni asosida H₂ ning energiyasini hisoblasak:

P=_= 2.5*10-⁶⁷ erg; m_H= 17*10 ^-24 gr

r₀- muvozanat oralig`I r₀=0.74 A⁰

Tarjibadan topilgani esa f=6.7*10^-12 erg

Bu gipoteza o`rniga 1810 yilda shved olimi Berselius elektrokimyoviy nazriyasini taklif etdi. Bu nazariyaga binoan har bir elementning atomi ikkita musbat va manfiy qutbdan iboratdir. Har bir atomda yoki mysbat yoki manfiy zaryad ko`proq bo`ladi masalan metallarning atomlari ortiqcha musbat zaryadga, metalmaslarning atomi esa ortiqcha manfiy zaryadga ega. Biriktirish vaqtida ular bir-birlari bilan elektrokimyoviy kuch hisobiga tortishib turadilar.

Bu nazariyaga binoan CaCO₃ ni hosil bo`lishini quyidagicha tushuntirish mumkin:

Ca _⁺

Ca_⁺ + O _ (CaO) _⁺ (a)

O _^-

Bu yerda kimyoviy bog` hosil bo`ladi va Bertseliusning fikricha Ca ning elektr musbatligi O₂ nikidan yuqori bo`lgani uchun ozgina musbat zaryad ortib qoladi.

Ca _⁺

Ca _⁺+ O _^-- (CaO)_^- (b)

O _^-

Bu yerda esa ozgina manfiy zaryad ortib qoldi. Endi (a) bilan (b) birikib neytral CaCO₃ molekulasini hosil qiladi:

(CaO) _⁺ + (CaO) _^- CaCO₃

Bertsileus nazariyasi o`z vaqtida boksidlar , asoslar , kislotalar va tuzlarning hosil bo`lishini sxematik tarzda tushuntiraolgan bo;lsa ham ko`pgina savollarga javob beraolmadi.

Masalan: _⁺ H₃C-COOH + Cl _^- Cl-CH₂-COOH

reaksiyada qanday qilib musbat zaryadlangan H o`rnini manfiy zaryadlangan Cl olayotganini tushuntirib berolmadi.

Shundan so`ng o`tgan asrning 40- yillarida fransuz olimlari Dima va Kerar tiplar nazariyasini ilgari so`rdilar.

Shu vaqtda , yani molekulalarning hosil bo`lishi va ularning tuzulishi to`g`risidagi noaniq fikrlar hukm so`rgan davrda ulug` rus olimi Nutlerov o`zining kimyoviy tuzulish nazariyasini yaratdi. Bu nazariyaning asosiy mazmuni quyidagicha:

1. Atomlar molekilalarda ma’lim tartibda joylashgan.

2. Atomlarning birikishi ularning valentliklariga mos ravishda bo`ladi.

3. Moddalarning xossalari ularning tarkibiga kirgan atomlarning tabiati va miqdorigagina bog`liq bo`lmasdan ularning qay tartibda joylashgabligiga ham bog`liq,yani molekulaning kimyoviy tuzulishiga bog`liq.

Kimyoviy o`zgarishlarni o`rganib, Butlerov nazariyasi asosida molekulasining tuzulishini o`rganish mumkin.:

va

Etil spirtiga xos bo`lgan kimyoviy reaksiyalarni o`rganish orqali, masalan spirtga natriy metali ta`sir ettirib –OH gruppasidagi H ning o`rniga Na ni almashtirish kuzatiladi.

2C₂H­₆O + 2 Na = 2C₂H₅ONa + H₂

Yuqoridagi tarkibga ega bo`lgan modda uchun formulalarning 1-chisini spirt ekanligini bilib olamiz.

Bu nazariya fanga molekuladagi atomlarning o`zaro ta`siri haqidagi juda muhim tushunchani kiritdi.Molekulada bir-biri bilan bog`langan atomlar bilan birga o`zaro bog`lanmagan atomlar ham bir-birlari bilan tasirlashar ekan. BIr-biri bilan bog`lanmagan atomlarning molekuladagi o`zaro tasirini induktiv effect deyiladi. Bu effect ko`p hollarda sezirarli bo`ladi.Masalan, uchlamchi butyl spirtdagi bitta CH₃ gruppasidagi

Vodorodlarni ftor bilan almashtirsak, spirt kislota xossasini namoyon qiladi. Bunga sabab elektronga moyilligi kuchli bo`lgan ftor atomlarinig elektronlarini o`zi tomon tortishidir.

Butlerovning kimyoviy tuzulish nazariyasi fanga 1823 yilda Libix va Veler tomonidan ochilgan izomeriya hodisasini ham tushuntirib berdi. Bu hodisaning ma`nosi shundan iboratki bir xil tarkibga ega bo`lgan birikmalar turlicha kimyoviy tuzulishga ega bo`ladilar. Shuning uchun ham ularning xossalari turlicha.

Valentlik nazriyasi

Atomlarning o`zaro bog`lanishini valentlik nazriyasi tushintiradi.Bu nazariya o`z navbatida atomning electron tuzulishiga asoslangan.Kimyoviy bog`ning hosil bo`lishida asosiy rolni electron o`ynaydi.

Shu sabab 1897 yildayoq Tomson degan olim valentlikning electron nazariyasinio tuzushga kiritdi.Uning fikricha molekulalarning paydo bo`lishi atomdagi kabi molekulalarda ham elektronlarning yadrolar atrofida ma`lum tartibda joylashishiga bog`liq.

Tomsonning bu ishini Lyuis,Langmor,Irving va KOOsel degan olimlar rivojhlantirdilar.

Lyuisning nazariyasiga muofiq atomlar o`rtasidagi kimyoviy bog` ularning valent elektronlarning umumlashib juftlanishi hisobiga paydo bo`ladi.Juftlashgan elektronlar lokallashgan turg`un(statik) holatda bo`ladi deb qaraladi.Bunda bir atomning elektroni boshqa atomga o`tmaydi,lekin2 ta atomga barobar ta`sir qilib ularni bir-biriga tortib turadi. Masalan,H₂ va CH₄ molekulasini olaylik:

Bunda elektronlar juftlashib har bir atom atrofida inert gazlarning electron tuzulishi kabi barqaror sistemalarni hosil qiladilar.Metan misolida ko`rsak har bir vodorod atomi atrofida 2 tadan electron ,uglerod atrofida esa 8 ta electron aylanib turadi.

Lekin hamma moddani hosil bo`lish bog`larini tushuntira olmadi.

Shuning uchun kimyoviy bog`ning hosil bo`lishini faqat kvant mexanikasi tushuntra oldi.Atomlarning xillari ,tabiati va o`zaro ta`siri turlicha bo`lganligi uchun ular hosil qilayotgan kimyoviy bog` ham turlicha bo`ladi.Hozirgi vaqtda kimyoviy bog`ning tabiati masalasi deyarli hal qilingan: kimyoviy bog` asosan elektrik tabiatga ega.Molekulasidagi yadrolar va elektronlarning o`zaro gravitatsion va magnit kuchklari elektrik kuchga qaraganda juda ham kichik qiymatga egadirlar va molekula hosil bo`lishida biror sezirarli hissa qo`sholmaydilar.

Elementlarning elektronmanfiyligi va uning kimyoviy bog` hosil bo`lishdagi roli.

Faraz qilaylik, A element atomi B element atomi bilan birikib AB molekulasini hosil qilayoygan bo`lsin:

A + B = AB

Bular o`rtasidagi qanday kimyoviy bog` hosil bo`layotganligini elementlarning elektromanfiyligi orqali bilish mumkin.

Har bir element elektromanfiyligi degan kattalik bilan harakterlanadi.Elektromanfiylik kimyoviy bog` hosil bo`layotganda mazkur atomning elektroni o`ziga tortishga intilishini ko`rsatadi.Uni X harfi bilan belgilasak

X = _

Elektron elektromanfiyligi yuqori bo`lgan element tomon siljiydi.Bu formulada J-ionlanish potensiali bo`lib , neytral atomdan bitta elektronni tortib olish uchun sarf bo`lgan energiyani ko`rsatadi.Ionlanish potensiali electron voltlarda o`lchanadi.

Odatda metallarning ionlanish potinsiali metalmaslarnikiga qaraganda kichik bo`ladi.

E-elektronga moyillik bo`lib, elektronning atomga kelib birikkanda ajralib chiqadigan energiyua miqdorini ko`rsatadi.

Bog`

Hosil qilayotgan A va B atomlarning elektromanfiyliklarini X_A va X_B bilan belgilasak , u holda agar: X_A = X_B bo`lsa kovalent bog` hosil bo`ladi,

X_A = X_B bo`lsa qutbli yoki ionli bog` hosil bo`ladi.

Elektromanfiylikning o`lchov birligi qilib Malliken degan olim litiy atomining elektromanfiyligini olgan.Uni 1 birlikka teng deb qabul qilgan. Poling degan olim esa , ftor atomini taklif etgan Poling sistemasida ftorning elektromanfiyligini 4 ga teng deb qabul qilinadi.Boshqa elementlarning elektromanfiyligi sgunga nisbatan hisoblanganda sistema davriy harakterga ega bo`lib qoladi.(4 jadval)

Bazi elementlarning elektromanfiyligi

Element	X	Element	X	Element	X	Element	X	Element	X
Li Na K Rb Cs	1.0 0.9 0.8 0.8 0.7	Be Mg Ca Sr Ba	1.5 1.2 1.0 1. 0.9	B Al Sc V	2.0 1.5 1.3 1.3	O S Se Te	3.5 2.5 2.4 2.1	F Cl Br J	4 3 2.8 2.5

Bu jadvaldan foydalanib bir-biri bilan tasirlashayotgan atoml;ar o`rtasida qanday bo` hosil bo`layotganini aytish mumkin.

19. Kovalent bog`ning kvant mexanik nazariyasi

Kvant mexanikasining asosiy tenglamasi bo`lgan Shredenger tenglamasi etilganidan bir yil keyin, yani 1927 yilda Geytrel da Ljndon vodorod molekulasidagi kimyoviy bog`ni kvantmexanikasisi yordamida tushubtirdilar. Ularning bu ishi kimyoviy muammolarni kvant mexanikasi yordamida hal etishda dastlabki qadam bo`ldi.

1927 yil Geytler vodorod molekulasidagi kimyoviy bog’ni kvant mehanikasi yordamida tushuntirdi. Vodorod molekulasidagi zarrachalar orasida ta`sir hillari

vodorod molekulasida ikkita yadro va shu yadrolar ta`sirida bo’lgan ikkita protom bor.

10- rasm . Vodorod molekulasidagi zarrachalar orasidagi tasir xillari.

Vodorod molekulasidagi atomalarni bog`lab turadigan vosita energiyadir - molekulaning to`liq energiyasini Shredinger tenglamasi yordamida aniqlaymiz.

- h2\8π²m(υ²φ\d²x+ υ²φ\d²y+ υ²φ\dz²)+Uφ=Eφ (26)

Fomuladagi φ- ni tuzish kerak, U va φ ni qo`yib

E ni topish mumkin.

Lekin Shredenger tenglanasi o`zaro ta`sirlashayotgan 3 ta zarracha uchun aniq yechilgan:

O`zaro ta`sirlashayotgan zarrachalarning soni 4 ta.

1 – va 2- atomlar potensial energiyalarini yig`indisiga teng.

UH₂=U₁+U₂ (27)

10 rasmda birinchi elektronning a yadro atrofidagi harakatini φa(1)- to`lqin funksiyasi bilan, ikkinchi elektronni b yadro atrofidagi harakatni φb(2) bilan belgilasak, molekulaning to`lqin funksiyasi ikki atom to`lqin funksiyalar ko`paytmasiga teng.

φH₂ = φa(1) • φb(2) (28)

Malumki, φ funksiyasi emas, balki uning kvadratdagi fizik manoga ega.

(27) va (28) ni (26) ga quyib tenglamani yechsak nolinchi yaqinlashishdagi vodorod molekulasining energiyasini aniqlash mumkin:

E= - (4π² · m e⁴/ h² (29)

m- elektron massasi,

e- zaryad,

h-Plank doimiysi,

Birinchi va ikkinchi elektronlarning bir-biridan farqi bo`lmagani uchun ularning o`rnilarini almashtiramiz, yani 1-elektron b yadro, 2-elektron esa a yadro atrofida aylanib yuribdi deb hisoblaymiz. Shu holat uchun molekulaning to`lqin funksiyasi quyidagicha bo`ladi:

φH₂ = φb (1) · φa (2) (30)

EH₂= - 4π2 · m e4/ h2 (31)

(29) va (31) dan ko`rinib turibdiki (28) va (30) tenglamadagi funksiyalar uchun energiyaning qiymati bir hil

Kvant mexanikasi ko`rsatadiki, ayniy holatlar uchun (28) va (30) funksiyalardan tashqari shu funksiyalarning chiziqli kombinatsiyalari ham molekulaning to`lqin funsiyasi ayniy holatlar uchun

φH₂ = C₁φ_a(1) • φ_b(2)+ C₂φ_b(1) • φ_a(2) (32)

C₁ va C₂ o`zgaruvchi parametrlar bo`lib, vodorod molekulasi uchun C1= + C2 bo`ladi. Demak C<sub>1</sub> va C<sub>2</sub> qiymati ikki hil bo`ladi. C₁= + C₂ bo`lsa u holda (32) tenglama quyidagicha bo`ladi:

φ+(1,2)= C₁φa(1) ·φb(2) + C1φb(1) ·φa(2)] (32)

Agar C1= - C2 bo`lsa , u holda

φ-(1,2)= C₁[φa(1) ·φb(2) - φb(1) ·φa(2)] (33)

φ+(1,2) simmetrik to`lqin funksiyasi,

φ-(1,2) antisimmetrik to`lqin funksiyasi deb ataladi .

4 ta zarrachadan iborat bo`lgan vodorod molekulasining potensial energiyasi

U=-e ²/ra₁ - e²/rb₂- e²/ra₂- e²/rb₁+ e²/ra_1,2+ e²/Ra,b (35)

-e 2/ra1 birinchi elektronning a yadrosi yaqinida bo`lganda potensial energiyasi

• 
  -e²/rb₂ ikkinchi elektronning b yadrosi yaqinida bo`lganda potensial energiyasi
  
• 
  e²/ra₂- e²/rb₁+ e²/ra_1,2+ e²/Ra,b elektron va yadrolarning o`zaro ta`sirlashgandagi potensial energiyani tashkil qiladi.
  

Shredinger tenglamasi orqali E ni aniqlaymiz.

φ·Hφ =Eφ2 tenglamani ikkala tomonini dv ga ko`paytiramiz, so`ngra integrallaymiz

φ·Hφ·dv =Eφ² · dv

∫φ·Hφ·dv = ∫Eφ² · dv

E= ∫φ·Hφ·dv \ ∫φ² · dv (36)

φ -funksiya normallanuvchan bo`lgani uchun tenglamada mahraj 1 ga teng bo`ladi

∫φ² · dv=1 u holda,

E= ∫ φ·Hφ·dv bo`ladi (37)

(33) va (34) tenglamani (36) yoki (37) tenglamaga qo`yib matematik hisoblaymiz

φ+ (1,2) funsiyasi uchun E₊= 2E_o + C+A \1+S² (38)

φ- (1,2) funsiyasi uchun E_-= 2E_o + C-A \1-S² (39)

2E₀ - normal holatdagi 2 ta vodorod atomining energiyasi

C – Kulon integrali bo`lib, har-bir elektronning o`z yadrosidan elektrostatik ta`sir energiyasini ko`rsatadi.

A – almashinish integrali, elektronlarning yadrolar o`rtasida almashinish bilan bog`liq bo`lgan ta`sir energiyasini,

S – qoplash integrali deyiladi, elektron bulutlarni bir-birini qanchalik qoplashi natijasida sistema energiyasini kamayishini ko`rsatadi

(38) va (39) tenglamada C< 0, A< 0, S< 0 bo`lgani uchun

C+A /1+S² < 0 C-A \1-S² > 0 bo`ladi

shunung uchun (38) tenglamada E+ < 2E₀

(39) tenglamada E- > 2E₀ bo`ladi, bunda ayniylik yo`qolib simmetrik φ+ va antisimmetrik φ- to`lqin funksiyalariga energiyaning turli qiymatlari to`g`ri keladi.

Energiyaning normal holidagi ikkita vodorod atomining energiyasidan kichik bo`lgan qiymatli molekulani hosil bo`lishiga olib keladi.

Demak, φ+ funksiyasi barqaror holat, φ- funksiyasi beqaror holatiga to`g`ri keladi.

Endi nima uchun φ+, φ- funksiyalar barqaror va beqaror holatlarga to`g`ri kelishini ko`rib chiqamiz, agar

φ a (1) · φ b(2) = φ₁

φ a (2) · φ b(1) = φ₂ deb belgilasak,

φ+=C₁(φ₁+ φ₂)

φ- =C₁(φ₁- φ₂) funksiyalarni kvadratga oshirib, dv ga ko`paytiramiz

φ +2 · dv= C₁₂ (φ₁₂+ 2φ₁ φ₂+ φ₂₂ ) dv

φ - 2 · dv= C₁₂ (φ₁₂ - 2φ₁ φ₂- φ₂₂ ) dv

φ₁ φ₂ - ifoda ikkala elektronning a va b yadro oraligida bo`lish ehtimolligini ko`rsatadi.

Kovalent bog` hosil bo`lishi uchun molekulaning funksiyasi musbat, yani simmetrik bo`lishi kerak. Agar elektronlarning spinlari parallel bo`lsa ularning bulutlari bir-birini qoplamaydi.

σ+ (1,2) = σ (2,1) ↑↑

σ - simmetrik spin funksiyasi

Spinlari antisimmetrik yo`nalgan bo`lsa elektronlarning bulutlari bir-birini qoplaydi, yani bog` hosil bo`ladi

σ - (1,2) = -σ (2,1) ↑↓

spin funksiyasini to`lqin funksiyasiga ko`paytmasi molekulaning to`liq to`lqin funksiyasini beradi

Ψ = φ ·σ

20. Valent bog`lar usuli.Valentlikning yo`nalishi va elektronlarning gibridlanishi.

30-yillarning boshlarida Poling va Slayver degan olimlar Geytler va London metodini umumlashtirib uni ko`patomli molekulalarga qo`lladilar.H₂ molekulasidagi 2 elektronli bog`ning harakteristikalari CH<sub>4</sub> va shunga o`xshash ko`p atomlimolekulalardagi bogni tushuntirishga ishlatiladi.Bu usul fanda valent bog`lar usuli deb ataladi. Uning asosiy prisiplari quyidagicha:

Valent bog`lar usuli:

1.Kimyoviy bog`ni hosil qilayotgan atomlarning spinlari qarama-qarshi bo`lgan ikkita elektroni hosil qiladi. Bunda elektronlarni bulutlari bir-birini qoplaydi.

2.Kimyoviy bog` hosil qilayotgan elektronlarning bulutlari o`zaro qoplashish imkoniyati eng ko`p bo`lgan tomonga qarab yo`nalgan bo`ladi.

3.Atomning ikkita orbitalidan qaysi biri boshqa atom orbitali bilan kuchliroq qoplashga erishsa, shu bog` mustahkam bo`ladi.

Shu xulosalar asosida valent bog`lar usuli kimyoviy bg`ning yo`nalishini nazariy jihatdan tushuntirib bera oldi.Malum buldiki kimyoviy bog`ni hosil bo`lishida atomlardagigi juftlashmagan valent elektronlar ishtirok etar ekan. Valent elektronlar turlariga qarab (s,p,d va h.k.z.) fazoda malum bir tarzda yo`nalgan bo`ladilar.

Suv molekulasi misolida:

H₂O molekulasi 2ta p elektron 2ta s elektron bilan qoplanadi.

O y




X

Bog`lar orasidagi burchak 90° bo`lishi kerak

Ammiak molekulasida ham shunaqangi hodisani kuzatamiz.

Endi BeCl₂ molekulasidagi kimyoviy bog`ning hosil bo`lihini qarab chiqamiz.

Valent bog`lar metodining asosiy fizik mohiyati shundaki, bunda molekulaning to`lqin funksiyasi uni tashkil etuvchi atomlarni to`lqin funksiyalari orqali tasvirlanadi.

Kimyoviy bog`ning hosil bo`lishi atomlarni erkin elektronlarining spinlarini juftlashishi hisobiga deb qaraladi. Shu asnoda valent bog`lar usuli valentlik tushunchasini kiritdi.

Molekulaning struktura formulasidagi har-bir valentlik chizig`iga ikki to`lqin funksiyasi: elektronlar koordinatlarini o`rin almashinishiga nisbatan simmetik bo`lgan fazoviy Ф(1,2) va asimmetrik bo`lgan qarama-qarshi spinli ikki elektronni tavsiflovchi spin σ (1,2) funksiyalari ko`rinishida yoziladi;

1va 2 raqamlar birinchi va ikkinchi elektronning fazoviy va spin koordinatlarini belgilaydi: