Основы химии

определений

X получили бы картину в виде пространственного облака

изображен-

ного точками с размытыми краями /рис.2.3.)

рис.2.3.

Такое зарядовое облако называют электронным облаком. Его плотность,

пропорциональная ?2, является непосредственной мерой вероятности нахождения

электрона. Граничная поверхность облака, внутри которой содержится 90–95%

электронного заряда, дает форму орбитали.

Z s-орбиталь. Она существует при l=0.

Значение ml тоже равно

Y нулю. Имеем только одно значение ml =0. Следовательно,

s-орбиталь имеет максимальную симметричность. У нее

X сферическая форма (рис.2.4.). В этом случае вероятность на–

хождения электрона в околоядерном пространстве определя–

рис.2.4. ется только радиусом-вектором и не зависит от

угла координат.

? Радиальное распределение электронной

плотности для 1s

электрона соответствует кривой с максимумом

(рис.2.5.).

Максимум распространения вероятности находится на

0 r1 r,A0 расстоянии от ядра r1, которые соответствует радиусу

рис.2.5. первой боровской орбиты.

р-орбиталь. Существует при l=1. ml = –1, 0,

+1.

Z р-орбиталь появляется на втором и всех

последующих

Рz уровнях. Так как ml имеет

три значения, то на р-подуров-

Y не каждого уровне может быть

три р-орбитали. р-орбиталь

имеет гонтелеобразную форму. Все три р-орбитали

распо-

X лагаются в пространстве по направлению координатных

Px осей. Их называют соответственно рх, рy, рz-орбитали

Py (рис.2.6.).

Рис.2.6. Z Y Y Z Z

X X X X Y

dz2 dx2 y2 dxy dxz

dyz

рис.2.7.

d-орбиталь. Появляется при l=2 на третьем квантовом уровне. На d-

подуровне может быть уже пять различных состояний электронов, поэтому на d-

подуровне каждого квантового уровня содержится пять d-орбиталей. В этом

случае ml принимает пять значений: ml = –2, –1, 0, +1, +2, d-орбитали имеют

более сложную форму, чем р-орбитали, они либо в виде четырех лепестков либо

в виде гантели с ободком (рис.2.7.).

f-орбиталь. Появляется при значении l=3. f-орбитали могут быть только

на четвертом и более отдаленных уровнях. Так как при l=3 ml имеет 7

значений /–3, –2, –1, 0, +1, +2, +3/, то на f-подуровне может быть семь

орбиталей. Форма f-орбиталей еще более сложная, чем у d-орбиталей. f-

орбитали изображают в виде сложных шестилепестковых фигур.

Форма орбиталей и ее направленность играют существенную роль при

образовании химических связей, т.к. эти два фактора определяют характер и

степень перекрывания электронных облаков соединяющихся атомов.

2.1.5. Структура электронных оболочек атомов.

Полная электронно-энергитическая структура атомов предопределяется

набором рассмотренных квантовых чисел. Главное квантовое число n определяет

не только номер квантового уровня, но и указывает на число подуровней

содержащихся в данном уровне. Например, при n=3, имеем третий квантовый

уровень, который состоит из трех подуровней: s-, p-, d-подуровня. Чем

дальше от ядра находится квантовый уровень, тем он более емкий, тем из

большего числа подуровней он состоит. Число орбиталей на уровне можно

определять по формуле кn=n2, а число орбиталей на подуровне, как уже

указывалось, по формуле кl=2l+1.

Рассмотрим теоретическую схему взаимного расположения квантовых уровней

и подуровней. /Фрагмент для первых четырех уровней/. На четырех

вертикальных линиях отложим значения квантовых чисел n, l, ml и

ms.(рис.2.8.) На первой вертикальной линии изобразим квантовые уровни

соответственно значениям квантового числа n /см. рис.2.8.). Мы уже знаем,

что чем больше числовое значение n, тем более емкий квантовый уровень. По

этому на рисунке он сделан более длинным по высоте. На второй вертикальной

линии, отнесенной к квантовому числу l показано деление квантовых уровней

на подуровни. Первый квантовый уровень состоит только из одного подуровня

/обозначенного как s-подуровень/. Второй квантовый уровень делится уже на

два подуровня: s-подуровень и р-подуровень. Третий уровень делится на три

подуровня /s, p и d/, а четвертый – на четыре подуровня /s, p, d и f/.

ml = –1, 0, +1

d-подуровень содержит уже пять орбиталей.

| | | | | |d-подуровень |

ml = –2, –1, 0, +1, +2

f-подуровень увеличил свою емкость до семи орбиталей

| | | | | | | |f-подуровень |

ml = –3, –2, –1, 0, +1, +2

+3

Четвертая вертикальная линия отнесена к спиновому квантовому числу ms.

Забегая вперед отметим, что это квантовое число предопределяет возможное

количество электронов на орбитале. По соответствующему постулату на

орбитале может быть два электрона, но они должны иметь разные спины, т.е.

разные значения ms: +1/2 и –1/2. В связи с этим на четвертой вертикальной

линии представлена максимальная заполняемость электронами квантового

подуровня и уровня.

На s-подуровне – 2 электрона

На p-подуровне – 6 электрона

На d-подуровне – 10 электрона

На f-подуровне – 14 электрона

Максимальное число электронов на подуровне можно определить по формуле:

К=2(2l+1).

Теоретическая последовательность расположения квантовых уровней и

подуровней выглядит так:

1s(2s(2p(3s(3p(3d(4s(4p(4d(4f(5s(5p(5d(5f(6s(6p(6d(6f(7s( 7p(7d(7f(…

Однако при расщеплении квантовых уровней на подуровни приведенная

теоретическая последовательность нарушается. Реальное расположение

подуровней определяется правилом Клечковского, согласно которого

последовательность расположения подуровней определяется суммарным значением

двух квантовых чисел n и l. В том случае, когда для двух и более подуровней

n + l имеет одинаковое значение, то сначала идет тот подуровень, у которого

меньшее значение n.

1s – 2s – 2p – 3s – 3p – 3d – 4s – 4p – 4d – 4f – 5s –5p – 5d – 5f

(n+l) 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7

8

По правилу Клечковского фактическая последовательность расположения

подуровней следующая:

1s(2s(2p(3s(3p(4s(3d(4p(5s(4d(5p(6s(5d(4f(5d2–5(6p(7s(6d1(

5f( 6d2–5(7p.

Структура электронных оболочек атомов изображена на следующей схеме

(рис2.9.):

| | | | | | | |6p |

| | | | | | | | |5d4 |

| |6s | | |

| | | | | |5p |

| | | | | | |

| | | | | | |

| | | | | |4p |

| | | | | | |4d | |

| |5s | |

| | | | | | |

| | | | | | |3d | |

| |4s | | |

| | | | |3p | |

| | | | | | |

| | | | |2p | |

| |3s | | |

| | | | | | |

| |2s | | |

| |1s | |Рис.2.9. |

2.1.6. Основные принципы распределения электронов в атоме.

Рассмотренная электронная оболочка атома заполняется электронами в

соответствии трем принципам: принципу наименьшей энергии, принципу Паули

/правилу/ Гунда.

Принципу наименьшей гласит, что электрон в атоме занимает тот свободный

подуровень, на котором он будут иметь минимальное значение энергии. По

другому, электрон остается на том подуровне, на котором обеспечивается

наиболее прочная связь с ядром.

Последовательность заполнения подуровней соответствует приведенному

выше фактическому расположению подуровней в структуре электронной оболочки

атома:

1s(2s(2p(3s(3p(4s(3d –… и т.д. /см. выше/.

Принцип Паули /запрет Паули/ говорит о том, что в атоме не может быть

даже двух электронов с одинаковыми значениями четырех квантовых чисел.

Следствие. На орбитале может находится два электрона с различными

спинами (т.е. с различными значениями спинового квантового числа: ms = +1/2

и ms = –1/2).

Третий принцип – это принцип или правило Гунда /Хунда/. Он объясняет

порядок заполнения электронами квантового подуровня. В пределах подуровня

электроны распределяются так, что их суммарное квантовое число имело

максимальное значение /сначала по одному электрону на орбиталь, а затем

спаривание/. Правильным будет распределение, например, трех р-электронов

таким образом:

| | | |

В зависимости от того, какой подуровень заполняется последними

электронами, различают s-, p-, d-, f-элементы.

s-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние

электроны занимают s-подуровень внешнего квантового уровня. /Например,

натрий, магний, калий, кальций и др./.

р-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние

электроны занимают р-подуровень внешнего квантового уровня. /Например,

углерод, кислород, хлор и др./.

d-подуровень, заполняемый последними электронами, относит элементы к

d-элементам. /Например, d-элементами являются титан, хром, железо,

медь, т.к. у этих элементов последние электроны занимают d-подуровень

предпоследнего уровня/.

f-элементами называют такие элементы, в атомах которых последние

электроны занимают f-подуровень второго от вне квантового уровня.

/Например, празеодим, европий, эрбий и др./.

2.1.7. Изображение электронной структуры атомов при помощи электронных

формул и квантовых ячеек.

Электронную структуру любого атома изображают электронными формулами. В

электронных формулах квантовый электронный уровень обозначают численным

значением главного квантового числа n, подуровень записывают буквенным

обозначением соответствующего подуровня, а число электронов на подуровне

указывают степенью, стоящей у обозначения подуровня. Например, 3d5

обозначает, что на d-подуровне 3-го квантового уровня находится пять

электронов. Электронная формула любого элемента состоит из полного набора

таких фрагментов, как указано в примере. Так, электронная формула атома

титана /№22/ имеет вид: 1s22s22p63s23p64s23d2. Cумма всех степеней равна

22, это значит, что атом титана, имея заряд ядра +22, содержит на

электронной оболочке 22 электрона, которые своим суммарным отрицательным

зарядом (–22) компенсируют положительный заряд ядра атома, делая атом

сложной электронейтральной системой.

Электронные формулы удобнее составлять после рассмотрения структуры

периодической системы элементов Д.И.Менделеева. Забегая вперед и

основываясь на знаниях, полученных в средней школе, представим

периодическую систему элементов в виде электронных формул. (рис.2.10.) О

написании электронных формул конкретного элемента, находящегося в

периодической системе, вернемся позже и рассмотрим алгоритм по которому

легко научиться писать электронную формулу любого элемента. Во-вторых,

структуру электронной оболочки атома изображают при помощи квантовых ячеек.

I 1s2

II 2s2 2p6

III 3s2 3p6

IV 4s2 3d10 4p6

V 5s2 4d10 5p6

VI 6s2 5d1 4f14 5d9 6p6

VII 7s2 6d1 5f14 6d9

7p6

рис.2.10.

Квантовыми ячейками мы уже пользовались хотя и не вводили понятие

“квантовая ячейка”. Квантовая ячейка – это не что иное как графическое

изображение орбитали. Ее показывают клеточкой , а электроны на

орбитали изображают стрелкой, стоящей в клеточке . Для s-подуровня

отведена одна клеточка, так как s-подуровень имеет только одну орбиталь.

Для р-подуровня выделено три ячейки ибо р-подуровень содержит три р-

орбитали. d-подуровень изображают пятью ячейками, а f-подуровень – семью

ячейками.

Электронная структура атома титана, для которого мы уже писали

электронную формулу, изображенная при помощи квантовых ячеек, выглядит так:

| | | | | |

| | | | | | |4p |

| |3d | |

|4s | | | | |

| |3p | |

|3s | | | | |

| | 2p |

|2s | |

| | |

|1s | |

2.1.8. Об индивидуальности каждого химического элемента.

«Удостоверением личности» химического элемента можно назвать его

электронную формулу. Глядя на нее химик скажет очень многое об

индивидуальности данного «химического персонажа».

Мы уже знаем, что универсальной характеристикой элемента является

положительный заряд ядра атома, а если смотреть еще глубже, то число

положительно заряженных элементарных частиц – протонов. Увеличение их

количества приводит к скачкообразному изменению свойств. Начинает

действовать универсальный закон природы – закон перехода количества в

качество. Однако на изменение качественное показателей элемента влияет не

только число протонов, но и число нейтронов в ядре. Как уже было отмечено,

элементы, имеющие одинаковое число протонов в ядре но разное количество

нейтронов, названы изотопами. У каждого элемента свое число изотопов: у

одного – больше, у другого – меньше. Когда в таблице Д.И. Менделеева

указывают атомную массу элемента дробным числом, то это не значит, что в

ядре имеется дробное число элементарных частиц, в этом случае взята средняя

атомная масса всех изотопов данного элемента с учетом их количественного

содержания в природе. Но если в точных экспериментах будем пользоваться его

такой «усредненной» атомной массой, то это будет не совсем корректно, ибо

за «усреднением» теряет свою индивидуальность данный изотоп, особенно, если

изотоп радиоактивный.

На практике еще больше отклоняются от истинного значения, когда

пользуются не атомной массой, а массовым числом «А», т.е. целым число,

самым близким к атомной массе. Может быть, при рассмотрении индивидуальных

особенностей элемента лучше брать атомную массу того изотопа, которого в

процентном соотношении в природе больше, или того, который самый устойчивый

/или неустойчивый/, если речь идет о радиоактивных элементах.

Как видим, закон перехода количества в качество для химических

элементов реализуется по двум направлениям: по протонному и по нейтронному.

По протонному: появление в ядре очередного протона скачкообразно приводит к

новому элементу, а по нейтронному: расширяет качество данного элемента

вплоть до появления радиоактивности. Это видно на примере водорода. Если к

ядру водорода добавляется протон, то это уже отрицает все качества водорода

как элемента /данного индивидуума/ и переводит его в новый элемент – гелий

/т.е. в новый индивидуум/. Добавление нейтрона не отрицает самого элемента

водорода, а расширяет границы его качества, образуя изотоп водорода 21Н

/названный дейтерием 21Д / и далее изотоп 31Н /названный тритием 31Т/. С

увеличением числа нейтронов элемент приобретает дополнительные признаки, в

данном случае – радиоактивность.

Проявление отдельными изотопами радиоактивных свойств сообщает таким

элементам особую индивидуальность, можно сказать опасную индивидуальность,

если рассматривать элементы с экологических позиций. В этом отношении

необходимо иметь «специальную таблицу Менделеева», в которой были бы

представлены свойства радиоактивных элементов и форма их зависимости от

положения в данной таблице. Такая таблица была бы полезной при

использовании радиоактивных элементов в качестве «меченых атомов», а так же

для экологических аспектов. /Таблица будет представлена в соответствующем

параграфе курса/.

При определении индивидуальности химического элемента необходимо прежде

всего условиться, для какой цели эта характеристика будет применяться.

Потому что одно дело атомарное состояние химического элемента, а другое –

то реальное состояние простого вещества, в котором данный элемент

находиться в обычных условиях, т.е. в его стандартном состоянии. Если в

современной периодической системе Д.И.Менделеева находиться 104–105

элементов, то число простых веществ возрастает до величины 250. И у каждого

простого вещества своя специфическая индивидуальность.

Химические свойства элемента, его «химическая индивидуальность»

определяется тремя его характеристиками: размером атома, энергией ионизации

и сродством к электрону. Но как оценить размеры атома? Какую величину брать

за радиус атома? Толи расстояние от ядра до максимума электронной плотности

/одно значение/, или расстояние от ядра до граничной поверхности, в которой

содержится 95% электронного облака /это уже другое значение/, а может

размеры атома определять как полу расстояние между центрами двух одинаковых

атомов в простой молекуле или в кристаллической решетке. /Это уже третье

значение/. Чтобы результат был корректным, для сравнения и для обоснования

какой-либо закономерности всегда необходимо брать величины, полученные

одним и тем же методом. Для оценки «химической» индивидуальности элементов

в экосистемах надо иметь свои критерии. Эти критерии будут изложены в

соответствующем курсе.

Глава 3.

Периодический закон и Периодическая система элементов.

В 1969 году ученый мир отметил юбилейную дату – 100-летие со дня

открытия Периодического закона химических элементов. В статье, посвященной

столетию этого закона академик И.В. Петрянов–Соколов писал: « История –

сурова. Она придирчиво сортирует все, что найдено и создано человеком.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10