Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Поиск репетиторов
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


Квантово-механические представления о строении электронной оболочки атома углерода

Согласно принципам квантовой механики, состояние электрона в атоме характеризуется четырьмя так называемыми квантовыми числами: п, l, т и s, где п — главное квантовое число, в основном определяющее энергию электрона; l — орбитальное (побочное) квантовое число, характеризующее момент количества движения электрона; т — магнитное квантовое число, характеризующее проекцию момента количества движения электрона на некоторое выделенное направление, а именно — направление внешнего магнитного поля; s — спиновое квантовое число, характеризующее некоторый дополнительный момент количества движения электрона, присущий самому электрону. На квантовые числа l, т и s накладываются следующие ограничения: l не может быть больше, чем главное квантовое число минус единица; т может принимать 2l +1 различных значений

от —l до +l; s может принимать только два значения:

и

Кроме того, строение электронной оболочки многоэлек-

тронного атома таково, что всегда выполняется принцип Паули, согласно которому в атоме не может быть двух электронов, у которых все четыре квантовых числа одинаковы; иными словами, в атоме не может быть двух электронов, совершенно одинаковых по всем параметрам.

Число возможных различных значений l и т (не говоря о s, которое может всегда иметь только два значения) при заданном п видно из таблицы:

Из приведенной таблицы видно, что в атоме могут быть лишь два электрона с п=1, восемь с п=2, восемнадцать с п=3 и вообще 2п2 электронов с данным главным квантовым числом n.

Общепринято следующее условное обозначение электронов: значение главного квантового числа п указывается впереди цифрой (или буквой К, L, М, N и т. д.), а орбитальные квантовые числа l, равные 0, 1, 2, 3 и т. д., обозначаются буквами соответственно s, р, d, f и т. д. Число электронов, имеющих одинаковые значения п и l (а следовательно, разные т и s), указывается цифрой, которая записывается как показатель степени. Так, электрон атома водорода, для которого п = 1 и l = 0, записывается в виде 1s, электронная оболочка атома гелия, состоящая из двух электронов с одинаковыми пиl (п = 1, l = 0), записывается в виде 1s2. Электронная оболочка лития состоит из трех электронов: два из них такие же, как и у атома гелия (n = 1, l = 0), а третий характеризуется главным квантовым числом n = 2 и орбитальным l = 0. Поэтому электронная оболочка лития записывается в виде 1s22s.

Следуя этому принципу, можно записать строение электронных оболочек атомов, составляющих два первых периода периодической системы Д. И. Менделеева, следующим образом:

Можно также схематически представить распределение электронов в атомах по энергетическим уровням, размещая стрелки, изображающие электроны, в клетках, обозначающих возможные состояния этих электронов (1s, 2s, 2р и т. д.). Отличие в спинах электронов изображается различным направлением стрелок. Согласно принципу Паули, в каждой клетке могут быть два электрона только с антипараллельными спинами.

Как видно из таблицы, соответственно числу неспаренных электронов водород, литий и фтор одновалентны, азот трехвалентен, кислород двухзалентен, что согласуется с опытом и квантовой теорией валентности. Все электроны атомов гелия и неона спарены, что также вполне согласуется с инертностью этих атомов. В случае бериллия, бора и углерода полученные таким путем числа валентности противоречат опыту (истинные валентности указаны в скобках).

Для органической химии в первую очередь представляет интерес случай углерода. Двухвалентный углерод, возбуждаясь, превращается в четырехвалентный:

Возможность этого процесса, связанного с большой затратой энергии (161,5 ккал/моль), объясняется тем обстоятельством, что такая затрата энергии с избытком компенсируется при образовании двух новых связей четырехвалентного углерода (186 ккал/моль).

Следует отметить, что приведенное выше рассуждение о возбуждении углерода и превращении его из двухвалентного в четырехвалентный имеет существенное значение только для наглядности, так как оно (позволяет устранить кажущееся противоречие с опытом. Расчленение процесса (сначала возбуждение, а затем образование дзух новых связей) является только условной схемой, поясняющей возможность образования четырех связей атома углерода.

Химик всегда имеет дело с углеродом в первом, втором или третьем валентном состояниях, которые условно считаются состояниями четырехвалентного углерода, даже если это элементарный углерод в виде графита или алмаза.

При рассмотрении атома углерода с позиций квантовой механики, на первый взгляд, возникает и другое затруднение. Дело в том, что электронные облака s- и р-электронов имеют различную пространственную конфигурацию: электронное облако s-электрона имеет форму шара, а облако р-электрона — форму объемной восьмерки (рис. 7, А, Б):

Легко видеть, что четыре связи возбужденного атома углерода 1s22s2p3 с другими атомами должны образоваться за счет трех р-электронов и одного s-электрона, а следовательно, одна из валентных связей по своей пространственной конфигурации должна отличаться от трех остальных, что противоречит всему опыту органической химии. При помощи квантовой механики было, однако, показано, что в действительности облака трех р-электронов и одного s-электрона углерода «гибридизуются» разными способами (см. ниже), например образуются четыре одинаковых «гибридизованных» облака (рис. 7, В), направленных из центра правильного тетраэдра к его вершинам. Такая гибридизация обозначается как sр3-гибридизация.

Предыдущая страница | Сдедующая страница

СОДЕРЖАНИЕ


     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн