Kemijski afinitet

Dipolna molekulavode:μ= 6,14·10^-30Cm.

Strukturna formulametana.

Prikazvalova tvariuogibu(difrakciji)elektrona.

Zbir svih 14atomskihjednoelektronskihorbitala za najmanja 3 glavnakvantna brojan.

Kemijski afinitetje sklonost uzajamnomkemijskom reagiranjui vezivanju različitihkemijskih tvari,odnosno njihovihatomailimolekula.

Objašnjenje

Misao daatomeumolekulamadržeelektrične sileizrekao je možda prviJ. J. Berzelius.Tu misao osobito podupire činjenica da se veliki broj molekula uotopiniraspada naione.Prema tome, možemo te molekule shvatiti kao električni spojiona.Takve spojeve zovemo ionskim ilipolarnim spojevima.Međutim, postoje i spojevi sasvim dugih osobina. Tako se već dva atomavodikaspajaju u molekulu H₂,isto tako dva atomadušikau N₂,isto tako dva atomaklorau Cl₂.Ponajveći brojkemijskih elemenatauplinskomstanju građen je od molekula, a ne od atoma. Golemo mnoštvo molekula ne cijepa se u otopinama na ione, i uopće vrlo teško može se rastaviti na električki pozitivne i negativne atomske skupine.Silekoje vežu atome u homeopolarne spojeve ne mogu se jednostavno shvatiti kao električne sile između alektično nabijenih dijelova.

Problem kemijskog afiniteta ostao je u povijesti nerješiva zagonetka. Povijest klasične znanosti, puna dubokoumnih ideja i fantazija, nije dala nijedno tumačenje osnovne pojavekemije.Tu nemogućnost objašnjenja kemijskog afiniteta u prošlosti shvaćamo tek danas u pravom svjetlu. Kemijski afinitet ne da se rastumačiti u okviruklasične fizike,kemijska sila tipična jekvantna pojava.

Čisto iskustvenikemičarisu opisali kemijski afinitet postojanjem posebne kemijske sile. Ta kemijska sila je uzrok, da atomi stupe u molekularni spoj. Veličina kemijske sile za pojedini atomski sklop može se mjeritienergijommolekule. Molekula vodika ima energiju jednaku 2,2∙10^-19džula.Da rastavimo molekulu H₂na dva atoma vodika, moramo dakle izvršiti tako velikimehanički rad.Molekularne su energije točno određene za pojedinikemijski spoj.Postojanje takvih određenih energija dokazuje da se kod spajanja molekula susrećemo s istim kvantnim zakonima kao i kod atoma.

Pored veličine, koja je određena energijom spajanja molekule, za kemijsku silu je svojstven njezin kratki doseg. Atomi se udružuju u molekulu samo onda ako se vrlo približe. Na udaljenostima većim od promjera atoma ne opaža se nikakva kemijska sila. To je bitna razlika prema električnoj sili, koja djeluje na velikim udaljenostima.

Treće temeljno svojstvo kemijske sile jest pojava zasićenja (valentnost). Uvijek stupaju samo dva vodika u molekulu, a ne tri ili više. Dva atoma vodika u molekuli ne privlače treći. Pojava zasićenja oštro razdvaja kemijsku silu od poznatih električnih igravitacijskih sila.Ove sile djeluju uvijek između svihčestica;djelovanje jednogelektričnog nabojana drugi neovisno je o tome da li se oni nalaze u međusobnom djelovanju još s drugim česticama. Naprotiv, kemijska sila je tvorbom molekule uglavnom iscrpljena; ona djeluje samo između sastavnih čestica molekula, a na ostale atome nema više učinka.

Problem kemijskog afiniteta privela je rješenjukvantna mehanika.Na osnovukorespodentnekvantne teorijeN. Bohranije se mogao dobiti uvid u tvorbu molekula, jer pojava kemijskog afiniteta nema svoje korespondentne slike uklasičnoj mehanici.Tek radovima poslije utemeljenjavalne mehanikepostignuto je razjašnjenje toga osnovnog svojstva prirode. Kemijska sila između atoma pojavljuje se kao posljedicavalova materije.

Već smo prije vidjeli da su za kemijski afinitet mjerodavni samo vanjskielektroniatoma. Djelovanjeatomske jezgrei unutarnjih elektrona možemo skupno obuhvatiti jednimelektričnim potencijalom.U tom potencijalu kreću se vanjski elektroni. Te elektrone možemo opisati valovima koji se šire u atomskom potencijalu. Na udaljenostima većim od promjera atomaamplitudeelektronskih valova brzo iščezavaju. Dok se dva atoma nalaze na većoj udaljenosti odpromjeraatoma, dotle valovi materije nemaju nikakvog utjecaja. Približe li se, međutim, atomi na udaljenosti približno jednake 10^-10metara,tada na njihovo ponašanje postaje odlučnavalna prirodaelektrona. Iz atoma proviruju valovi materije, koji i na većoj udaljenosti od jezgre imaju još neku, iako malujakost(intenzitet). Međusobno pronicanje elektronskih valova jednoga i drugoga atoma izaziva po kvantnoj teoriji nove sile, koje pridolaze starim električnim silama između elektrona i atomskih jezgri. Te pridošle sile mogu biti privlačne i odbojne te vladaju zakonimakemijskog spajanja.Da bismo dobili privlačenje između atoma, ne treba dakle uvesti nikakve nove sile pored električnih. Kemijska sila pojavljuje se kao posljedica međusobnog djelovanja valova materije.

Najjednostavnija molekula je pozitivniionvodikovemolekule. On se sastoji od dvaprotonai jednog elektrona. Takav sistem od dvije pozitivno nabijene jezgre i jednog negativnog elektrona ima priličnuenergiju spajanja.Između sve 3 čestice djeluju električneCoulombove sile;oba protona se odbijaju, svaki proton privlači elektron. Na osnovu klasične mehanike proračunato je da prosječno odbojna sila između protona prevladava privlačnu silu između elektrona i oba protona. U klasičnoj fizici prema tome ne može postojati pozitivni ion vodikove molekule. Tvorevina od dva protona i jednog elektrona uvijek bi se raspala. U prirodi, usprkos klasičnoj teoriji, postoje ipak takve tvorevine kao stabilni ion. Njihov opstanak objašnjuje kvantna teorija.

Elektronski val neka se na početku nalazi u jednoj potencijalnoj jami. To odgovara jednom vodiku i jednom protonu na većoj udaljenosti. U blizini elektronskog vala nalazi se druga potencijalna jama, u kojoj se također može širiti val. Dok su oba protona na velikoj udaljenosti, dotle je potencijalni bedem između oba protona tako masivan da elektron ostaje stalno u jednoj potencijalnoj jami. Kad se protoni međusobno primiču, tada se smanjuje debljina potencijalnog bedema. Po zakonima valnog širenja, val prodire za svoju valnu duljinu u područje, gdje mu je valna duljina imaginarna. Ako se protoni dovoljno primaknu, elektron stalno prelazi od jednog protona k drugom. Čas je jedan proton ovijen elektronskim oblakom, čas drugi. To titranje elektrona svojstveno je samo za kvantnu teoriju i dovodi do novih sila.Potencijalna energija,koja pridolazititranjemelektrona između dva protona, uzrokuje kemijski afinitet.

Pozitivni ion vodikove molekule uzor je za sve homeopolarne spojeve. Kemijske sile zorno predočujemo fluktuacijom električnog naboja između atoma u molekuli. Električni oblak izmjenično se zgušćuje i razrjeđuje oko pojedinih atoma. Valovi negativnog naboja (elektroni) prodiru kroz potencijalne bedeme i skupljaju se čas oko jednog, čas oko drugog atoma. Ovim titranjem električnog naboja između atoma pridolazi atomskim sistemima nova potencijalna energija k staroj Coulombovoj i ta nova pridošla potencijalna energija određuje čvrstoću kemijskog spoja. Pridošla potencijalna energija ovisi o međusobnim razmacima atoma; tamo gdje ona ima minimum, izgrađuju se iskustvene dimenzije molekula. Za različite skupine ima ta potencijalna energija najrazličitije vrijednosti. Kodhelijevihatoma je tako mala da praktički uopće ne nastaju molekule He₂.Teorijski se unaprijed može reći koji atomi stupaju u molekule, a koji ne. Za točno određenje valentnosti atoma potreban je sav matematički formalizam kvantne mehanike. Kemijska valentnost u uskoj je vezi sPaulijevim načelom.Iz energetskih nivoa atoma zaključio jeF. Hundza veliki broj atoma da li je kod njih spajanje u molekule energetski povoljan proces. Na osnovu energetskih nivoa atoma on je mogao približno procijeniti energije spajanja jednostavnih molekula. Točni se proračun molekularnih energija, naravno, sukobljuje s velikimmatematičkimpoteškoćama.