Терней - Органическая химия I (1125892), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Если мы теперь изучим радиальное распределение для 2г-орбитали, то найдем размытый максимум на расстоянии примерно около 2,6 Л от ядра. Однако около 0,4 А находится еще и другой максимум! Существование этого внутреннего максимума вероятности отражает явление, называемое «проникновением». Проникновение требует, чтобы электрон проводил около ядра г ~Р(г Рис. $-2. Кривые вероятностного распределения для 1«-, 2а- и 2р-орбиталей. Можно представить себе, что кривые получены следующим обрааом: а) мы поворачиваем орбиту во всех направлениях вокруг ядра, чтобы устранить зависимость от направлений, и б) строим график еависимости «раемааанной» електронной плотности от расстояния г до ядра.
Все кривые даны в одной и той же шкале. больше времени, чем можно было бы предположить просто на основании главного квантового числа. Оно особенно важно для г- и р-орбиталей, так как понижает их энергию за счет приближения к ядру. УЗЛЫ. Узлом называется место пространства, в котором любое свойство (или математическая функция) обращается в нуль. Трехмерный эквивалент узла называется угловой поверхностпью.
В случае атома узловая поверхпость— это место пространства, где амплитуда волновой функции электрона обращается в нуль. Ядро представляет собой часть узловой поверхности для р-, ди ~-орбиталей, но не для г-орбиталей. Сопоставляя этот факт с тем, что минимум на кривой для 2г-орбитали (рис. 1-2) соответствует узловой поверхности, мы можем определить, сколько узловых поверхностей имеет интересующая нас орбиталь. 1г-Орбиталь не имеет никаких узловых поверхностен; 2г-орбиталь имеет один минимум на кривой на рис. 1-2 и соответственно одну узловую поверхность (сферической формы).
2р-Орбиталь имеет одну узловую поверхность, которая включает ядро; эта узловая поверхность плоская и называется узловой плоскостью. КАКОВЫ ФОРМЫ АТОМ11ЫХОРБИТАЛЕИ? Когда электрон рассматривают в свете теории вероятности, имеет смысл, хотя это и не совсем точно, описывать электрон как «облако», размытое по поверхности. Мы уже под- Атом 19 робно рассмотрели распределение электронной плотности этих облаков относительно ядра, а теперь рассмотрим их форму. г-Орбиталь обладает сферической симметрией относительно ядра; 1ги 2г-орбитали нарисованы (в виде облаков) на рис.
1-3. Эти облака заключают области пространства, в которых электрон проводит 95% времени. Рис. 1-3. Сравнение 18- и 2з-орбиталей. Для 2р-энергетического уровня т может принимать значения — 1, О и +1. В изолированном атоме каждой из образующихся 2 р-орбиталей отвечает одна и та же энергия (говорят, что они вырождены), но они отличаются по своей ориентации в пространстве. Их обычно обозначают 2р„, 2рв и 2р,. Формы и ориентация 2р-орбиталей представлены на рис. 1-4. р -орбшпаль р„-орбиталь Рис. 1-4.
Три 2р-орбитали. Узловая плоскость для р„-орбитали заштрихована Узловая плоскость для любой из этих р-орбиталей содержит две оси, не входящие в эту орбиталь. Например, узловая плоскость для р„-орбитали содержит оси у и ~. На рис. 1-4 зта плоскость загптрихована. СЕ10ЛЬКО ОРБИТАЛЕЙ СУЩЕСТВУЕТ В АТОМЕ ВОДОРОДАР Для того чтобы предсказать общее число орбиталей, соответствующих определенной величине главного квантового числа, мы можем воспользоваться рис. 1-1. Например, когда и = 3, 1 может принимать значения, равные О, 1 и 2; это состояпие обозначают Зг (и = 3, 1 = О), Зр (и = 3, г = 1) ' и Зд (и = 3, 1 = 2).
При и = 3, Е = О, т меняет равняться только нулю, поэтому существует только одна Зг-орбиталь. В случае и = 3, г = 1, т'может принимать значения — 1, 0 и + 1, давая три Зр-орбитали. Если и=3 и ~ 2 т может быть — 2, — 1, О, +1 и +2, давая в общем пять Зд-орбиталей. Таким 20 глАвА 1 образом, на главном уровне и = 3 находится всего 1 + 3 + 5 = 9 орби- талей. Однако сколько этих орбиталей действительно существует в атоме водородаг Все! Орбитали, как и стенные шкафы, не перестают существовать дансе тогда, когда они не заполнены. Отличие орбитали от шкафа состоит в том, что орбиталь может содержать максимум два электрона.
Таким образом, водород имеет одну наполовину заполненную орбиталь (1г) и бесконечное множество свободных. Все орбитали, рассматривавшиеся до сих пор, называют «водородоподобными орбиталями», =ак как их расчеты основаны на взаимодействии одного электрона с одним протоном. Поскольку до сих пор мы не можем рассчитывать орбитальные характеристики для большинства элементов, мы рассматриваем их как водородоподобные орбитали. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ В ОСНОВНОМ СОСТОЯНИИ. Правила отнесения квантовых чисел, которые мы рассмотрели, позволяют суммировать «типы» электронов, которые могут находиться в отдельном атоме, при условии, что мы знаем, какие из орбиталей заполнены, а какие не заполнены.
При определении электронной конфигурации элементов в основном состоянии (состоянии с наименьшей энергией) мы используем «припцип надстройки», т. е. заполнения доступных орбиталей в соответствии с их потенциальной энергией, причем в первую очередь орбиталей с наименьшей энергией. При заполнении вырожденных орбиталей (орбита,лей, имеющих одинаковую потенциальную энергию) мы размещаем по одному электрону на каждой из вырожденных орбиталей (с одинаковым спином!); на вырожденной орбитали нельзя разместить два электрона до тех пор, пока каждая не получит как минимум одного. Этот порядок заполнения предписывается правилом Гунда. И наконец, что очень важно, мы предполагаем, что электронная структура атома с атомным номером х + 1 такая нсе, как у атома х, с добавлением одного электрона. Существуют исключения из принципа надстройки, но они не представляют большого интереса для химиков-органиков.
Необходимо только иметь в виду, что мы в конечном итоге предсказываем электронную конфигурацию ИЗОЛИРОВАННОГО атома в основном состоянии. В табл. 1-3 показан по- Таблица 1-З Порядок последовательного заполнения орбиталей Вертикальная шкала не является пропорциональной, орбитали с высокой энергией расположены ближе друг к другу, чем орбитали с низкой энергией Главные квантовые уровни 1 2 3 4 5 6 7 -5Г 78 -бр -Ы -4Г 4р -Зр -3~ Атом 21 н= 2 и=1 Эле- мент КонФигурация 1 2 1 2 1 +— 2 1зз Н 1 2 1 +— 2 '1 2 1 2 1 2 1 +— 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 +— 2 1 2 1 2 1 2 1 +— 2 1 2 +— 2 1 2 1 2 1 2 +— 2 1 +— 2 1 +— 2 1з'2за2р' 1 2 1 +— 2 1за2зз2ра 1 2 1 +— 2 0 1зв2за2рз 1 2 1 +— 2 1зз2за2р'ЗззЗрз 0 1 2 +— 2 1 2 1 2 1 2 +— 2 1е +— 2 1* +— 2 1 +1 1 +1 ы. Они включены, чтобы гурацию инертного газа Два алектрона, гонстрировать пр ).
обоанач евра ще частью сер еры в конФи ля ются ации с , не ив нФигур вездочками тронной ко енные а ние алек продеь (аргона Таблица Х4 Электронные конфигурации отдельных атомов в основном состоянии 22 глАвА $ рядок последовательного заполнения, а в табл. 1-4 приведены электронные конфигурации основных состояний интересующих нас атомов, СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА.
Для краткости вместо того, чтобы говорить, например, «атом водорода имеет один электрон на 1г-орбитали», говорят «водород 1г'» (читается один-8-один). Аналогично электронная конфигурация азота сокращенно обозначается 1гв2г»2рз, показывая, что два электрона находятся на 1г-орбитали, два — на 2г-орбитали и три — на 2р-орбиталях. Эту сокращенную номенклатуру иногда называют «спектроскопической номенклатурой». При таком написании электронной конфигурации' элемента орбитали обычно перечисляются в порядке увеличения квантовых чисел (и и 1), а не в порядке последовательного заполнения орбиталей.
1.4. СВОЙСТВА АТОМОВ Несколько свойств атома особенно важны для лучшего понимания вопроса. К ним относится размер, потенциал ионизации, сродство к электрону и электроотрицательность. РАЗМЕР. Размер атома не может быть указан точно. Это обусловлено тем фактом, что расстояние между ядром и электроном не фиксировано, а может меняться. Тем не менее, как отмечалось выше, вероятность нахождения .электрона вдали от ядра очень мала. Размер атома может быть определен различными способами, но обычно используется рентгеноструктурный анализ. Результаты таких исследований показывают, что размер атома уменьшается слева направо в данном периоде периодической системы элементов и увеличивается сверху вниз в каждой группе элементов периодической системы. ПОТЕНЦИАЛ ИОНИЗАЦИИ И СРОДСТВО К ЭЛЕКТРОНУ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
