Фейнман - 09. Квантовая механика II (1055675), страница 39
Текст из файла (страница 39)
Неон легко своего электрона но отдает. У него к тому жо больше нет пустых мест на орбите, которые можно заполнить, так что и чужие алектроны ему не нужны. Стало быть, неон химически кнор>ен. У фтора есть пустое место, попав на которое, электрон может оказаться в состоянии с низкой энергией, поэтому в химических реакциях фтор очень активен. От Ха до Аг В натрии одиннадцатый электрон вынужден начать новую оболочку, переходя в Зз-состояние. Уровень энергии этого состояния намного выше; энергия яонизацин резко спадает; натрий химически очень активен. От натрия до аргона з- и р-состояния с п=З заполняются в той же последовательности, как от лития до неона. Угловые конфигурации электронов зо внешней незаполненной оболочке идут в той же последовательности, и прогрессирующий рост энергии ионизации тоже весьма схож с тем, что было раньше.
Вы теперь понимаете, почему химические свойства с ростом атомного числа повторяются. Химическое действие магния очень похоже на бериллий, кремния— на углерод, хлора — на фтор. Аргон, подобно неону, инертен. Быть может, вы уже обратили внимание на то, что в последовательности энергий ионизации от лития до неона есть небольшая особенность, и такая >ке особенность наблюдается между натрием и аргоном. Последний электрон прикреплен к атому кислорода чуть слабее, чем можно было ожидать.
Тем же самым отличается сера. Отчего бы это? Это можно понять, если чуть внимательнее вдуматься в эффекты взаимодействия между электронами. Подумаем о том, что бывает, когда мы помещаем в атом бора первый 2р-электрон. Он имеет шесть возможностей — три возможных р-состояния,в каждом по два спина. Представим, что электрон со олином вверх попадает в состояние с т=О, которое мы также будем называть «г»-состоянием, потому что оно облегает ось г. Ну, а что произойдет в углероде7 Теперь уже 2р-электронов два.
Если один из них попал в «з»-состояние, то куда попадет второй? Ниже всего его энергия будет тогда, когда он расположится подальше от первого электрона. Этого можно достичь, попав, скажем, в «х»-состояние 2р-оболочки. (Это состояние, как вы помните,— просто линейная комбинация состояний с т=+1 и с т= — 1.) Дальпге, когда мы перейдем к азоту, то у тройки 2р-электронов наименьшая энергия взаимного отталкивания будет тогда, когда один из пих попадет в «х»-конфигурацию, другой — в «р», третий— в «г».
Весь этот хоровод, однако, для кислорода не проходит. «1етвертому электрону уже ничего не остается, как попасть в одно из заполненных состояний, держа при этом спин вниз. Тот электрон, который уже находится в этом состоянии, начнет его сильно отталкивать, так что его энергия не будет такой низкой, какой она была бы в противном случае, поэтому его легче будет удалить. Этим и объясняется разрыв в последовательности энергий связи, который появляется между азотом и кислородом, и меясду фосфором и серой. От К до Хп Можно было бы подумать, что за аргоном новые электроны начнут заполнять состояние Зд.
Но нет! Как мы уже говорили (и иллюстрировали фнг. 17.7), состояния с высшими моментами сдвинуты по энергии вверх. К моменту, когда мы подошли к Зд-состояниям, они по энергии оказываются задвинутыми немножко выше энергии 4»-состояния. Поэтому в калии последний электрон попадет в 4»-состояние. После этого в кальции оболочка заполнится (двумя электронами), а ЗН-состояния начнут заполняться у скандия, титана и ванадия.
Энергии Зр-и 4»-состояний так близки друг к другу, что малозаметные эффекты легко сдвигают равновесие в ту или иную сторону. К моменту, когда придет время поместить в ЗН-состояния четыре электрона, их отталкивание так подымет энергию 4»-состояния, что она станет чуть выше энергии 34-состояния, поэтому один электрон из б уходит в д. И для хрома не получается ожидавшаяся комбинация 4, 2, а вместо этого выступае.г комбинация 5, 1.
Новый электрон, добавляемый, чтобы получить марганец, опять заполняет оболочку 4» и затем одно за другим идет заполнение Зд-оболочки, пока мы не доберемся до МОДИ. Но так как самая внешняя оболочка марганца, железа, кобальта и никеля имеет одну и ту же конфигурацию, то все ови обладают блиакими хнмпческями свойствами.
(Этот эффект еше 197 7 № б»б сильнее выражен у редкоземельных элементов. У них внешняя оболочка одинакова, а заполняется постепенно внутренняя ячейка, что меньше сказывается на их химических свойствах.) То же и в меди. В ней тоже построение Зс(-оболочки завершается грабежом: из 4»-оболочки уводится один электрон. Энергия комбинации 10, 1, однако, настолько блиака у меди к энергии комбинации 9, 2, что равновесие может сместиться уже оттого, что поблизости стоит другой атом.
По этой причине два последних электрона меди примерно равноценны, и валент- ность меди равна то 1, то 2. (Временами она проявляет себя так, как если бы ее электроны были в комбинации 9, 2.) Похожие вещи случаютсн и в других местах таблицы; они-то и ответственны за то, что другие металлы, такие, как железо, соединяются химически то с той, то с другой валентностью.
Наконец, у цинка обе оболочки Зд и 4» заполняются раз и навсегда. От Са до Кг От галлия до криптона последовательность опять продолжается нормально, заполняя 4р-оболочку. Внешние оболочки, энергии и химические свойства повторяют картину изменений на участке от бора до неона и от алюминия до аргона. Криптон, как и аргон или неон, известен кан «благородный» газ.
Все эти три «благородных» газа химически «инертны» е. Это означает только то, что после того, как они заполнили оболочки со сравнительно низкими энергиями, редки будут случаи, когда им станет энергетически выгодно соединиться в простые сочетания с другими элементами. Но для «благородства» недостаточно просто обладать заполненной оболочкой. У бериллия, например, или у магния заполнены з-оболочки, но энергия этих оболочек чересчур высока, чтобы можно было говорить об устойчивости. Точно так же можно было бы ожидать появления другого «благородного» элемента где-то возле никеля, если бы энергия у Зд-оболочки была бы чуть пониже (или у 4»-оболочки повыше).
С другой стороны, криптон не вполне инертен; он образует с хлором слабо связанное соединение. Поскольку в рассмотренной нами части таблицы уже проявились все основные черты периодической системы, мы обрываем наше изложение на элементе М 36 (их остается еще штук 70, а то и больше!).
Мы хотим отметить еще один момент: мы в состоянии понять в какой-то степени не только валентности, но можем кое-что «В действительности мнение об инертности благородных газов окааалось, как н многое другое, сильным преувеличением. Криптон, например, весьма охотно соединяется с фтором, образуя кристаллы Кту . Сейлас химия инертных тазов превращается в большую н увлекательную науку.— Прим.
ред. сказать и о направлениях химических связей. Возьмем такой атом, как кислород. В нем четыре 2р-электрона. Первые три попадают в состояния «х», «у» и «ю>, а четвертый вынужден заполнить одно из них, оставив два других — скажем, «х» и «р» — вакантными. Посмотрите теперь, что происходит в Н,О.
Каждый иэ двух водородов желает разделить свой электрон с кислородом, помогая кислороду заполнить оболочку. Эти элок- тРоны будут стРемиться попасть на вакансии в состояниях «ю> и «р». Поэтому два водорода в молекуле воды обязаны расположиться под прямым углом друг к другу, если смотреть из центра атома кислорода.
На самом деле угол равен 105'. Можно даже понять, почему угол больше 90'. Обобществив свои электроны с кислородом, водороды остаются в конце концов с избытком положительного заряда. Электрическое отталкивание «растягивает» волновые функции и разводит угол до 105'. Так же обстоит дело и у Н»Я. Но атом серы крупнее, атомы водорода оказываются дальше друг от друга, и угол расходится только до 93'. А селен еще крупнее, поэтому в Н»Яе угол уже совсем близок к 90'. Аналогичные рассуждения позволяют разобраться в геометрии аммиака Н»М. В азоте есть место еще для трех 2р-электронов, по одному на каждое состояние типа «х», «у» н «в». Три водорода будут вынуждены подсоединиться под прямыми углами друг к другу.
Углы снова окажутся чуть больше 90', опять-таки из-за электрического отталкивания, но по крайней мере теперь ясно, отчего молекула Н»Х не плоская. Углы в фосфине Н»Р уже ближе к 90', а в Н,Аз еще ближе. Мы не зря предположили, что г<Н» не плоский, когда говорили о нем как о системе с двумя состояниями. Именно из-за этоа объемности аммиака и возможен аммиачный мазер. Вы видите, что сама форма молекулы аммиака тоже следует из квантовой механики. Уравнение Шредингера явилось одним из величайших триумфов физики. Снабдив нас ключом к механизму, лежащему в основе строения атома, оно объяснило атомные спектры в всю химию, благодаря чему стала понятна физическая природа материи. Глава Ю ОПКРАТОРЫ ф 1. Операцым тс операпзоры Для того чтобы управиться со всем, что мы до сих пор делали в кваятовой механике, достаточно было бы обычной алгебры, но мы все же время от времени демонстрировали особые способы записи кваятовомеханических величия и уравнений.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
