KSE5 (1153101), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Значения квантовых чисел l и m при определенном значении главногоквантового числа n и максимальное число электронов на энергетическом уровнеДля углерода (1s2 2s2 2р2) есть три возможности: оба 2р-электрона занимают однуорбиталь, но имеют разные спины; они занимают разные орбитали и тоже разные спины;наконец, они могут располагаться на разных орбиталях, а их спины одинаковы. Анализатомного спектра углерода показывает, что реализуется последний вариант.
Этосоответствует общему принципу: устойчивому состоянию соответствует такоераспределение электронов на энергетическом подуровне, что сумма их спиновмаксимальна.Для третьего и следующих уровней последовательность их заполнения усложняется.При увеличении числа электронов увеличивается и заряд ядра, электроны сильнеепритягиваются ядром и ближе располагаются к нему, говорят об увеличении энергиисвязи электрона с ядром. Энергия связи электронов первого подуровня данногоэлектронного слоя может быть больше энергии связи последних подуровней предыдущегослоя.
Так как устойчивое состояние атома всегда соответствует минимально возможномузначению его энергии, то в этом случае начнётся заполнение какого-либо noдуровня дотого как будет полностью заполнен предыдущий. Так 19-й электрон атома калия неначинает постройку Зd-подуровня, а занимает 4s-положение. И только когда s-подуровеньбудет достроен (в атоме кальция), следующие электроны окончательно достраиваюттретий слой. Физический смысл периодичсской системы элементов заключается в том,что периодичность химических свойств элементов определяется повторяемостьюсходных электронных конфигураций их атомов.■■5.3. Химическая связь и строение молекулАтомывмолекулахикристаллахудерживаютсяполностьюсиламиэлектростатического притяжения между отрицательно заряженными электронами иположительно заряженными ядрами.
Взаимодействие атомов, возникающее в результатечастичного или полного обобществления электронов и сопровождающееся уменьшениемполной энергии молекул и кристаллов по сравнению с полной энергией их атомов всвободном состоянии, когда атомы удалены на бесконечные расстояния, называетсяхимической связью, а разность этих двух энергий называется энергией связи.Теория химического строения, разработанная A.M.
Бутлеровым, содержитследующие основные положения:Свойства веществ зависят не только от свойств атомов, из которых состоятмолекулы вещества, но и от порядка соединения атомов в молекуле и отзакономерностей их взаимного влияния.Атомы в молекуле соединены между собой в определённом порядке, изменение этогопорядка приводит к образованию новой молекулы с новыми свойствами.Другими словами, свойства веществ определяются не только их составом, но иструктурой молекул; атомы взаимно влияют друг на друга таким образом, что частичноизменяется их собственная природа, их "химическое содержание".Различают следующие основные типы химических связей: 1) ионная; 2) ковалентная;3) металлическая. К основным типам межмолекулярных связей относят связь Ван дерВаальса и водородную связь.Ионная связь обусловлена электростатическим взаимодействием противоположнозаряженных ионов.
К числу молекул с ионной связью можно отнести хлориды калия,натрия, окисел магния и прочее, а также кристаллы с аналогичным химическим составом.За счет электростатического притяжения ионы сближаются, их внешние электронныеоболочки начинают перекрываться (рис. 4.2.), что приводит к возникновению силотталкивания.Рис. 5.2.
Область перекрытия ионов К+ и С1 , аппроксимированных сферами резкоограниченных радиусов в молекуле КС1Отталкивание объясняется взаимодействием электронных оболочек ионов с учетомпринципа Паули. Этот тип отталкивания является основным во всех молекулах, кромесамых легких (например, Н2). Отталкивание связано также с электростатическим взаимодействием ядер, но для всех молекул, за исключением самых легких, оно не являетсяосновным. На некотором расстоянии между ядрами силы притяжения уравновешиваютсясилами оттапки вания, при этом энергия молекулы принимает минимальное значение, чтосоответствует устойчивому состоянию молекулы.Ковалентная связьДля описания состояния электронов в молекуле необходимо использовать системууравнений Шрёдингера для всей совокупности электронов и атомных ядер и найти еёрешение, соответствующее минимуму потенциальной энергии.
Квантово-механическиерасчеты, выполненные для простейшего случая — образования химической связи длямолекулы водорода, дают следующую картину. При сближении атомов водородапроисходит взаимопроникновение, "перекрытие" их электронных облаков. Вследствиеэтого плотность отрицательного электрического заряда в межъядерном пространствевозрастает, положительно заряженные ядра атомов притягиваются к области перекрытия.Сила притяжения оказывается больше сил отталкивания электронов, так что в результатеобразуется устойчивая молекула. Химическая связь в молекуле водорода осуществляетсяв результате образования пары электронов с противоположно направленными спинами,причём, эта пара принадлежит обоим атомам.
Такая связь называется ковалентной.Эти представления об образовании химической связи в молекуле водорода былиобобщены и распространены на более сложные молекулы. Теория, объясняющая свойстваковалентной связи, называемая теорией валентных связей, позволила понять и описатьструктуру и свойства большого числа молекул.Электроны, образующие связь, стремятся к частичной локализации в пространствемежду двумя атомами, соединенными этой связью. В этом смысле ковалентная связьхарактеризуется явно выраженным свойством направленности. Это хорошо видно напримере молекулы метана СН4 (рис. 5.3). У атома углерода четыре валентных (внешних)электрона, а каждый из атомов водорода имеет один электрон.
Эти восемь электроновсосредоточены главным образом вдоль прямых, соединяющих протоны (ядра атомаводорода) с ядром атома углерода.2 электронаН+2 электронаН+2 электронаН+Рис. 5.3. Геометрия молекулы метана. Ядра водорода расположены в вершинахправильного тетраэдра, или в четырех из восьми вершин куба. Электронысконцентрированы вдоль прямых «углерод — водород»К образованию ковалентных связей имеют тенденцию атомы 111, IV и V групппериодической системы элементов. Так, углероду, кремнию и германию не хватаетчетырех электронов до заполнения их электронных оболочек, и поэтому атомы этихэлементов могут притягиваться в основном за счет перекрытия оболочек. К веществам сярко выраженной ковалентной связью относятся кристаллы алмаза, кремния, карбидакремния, арсенида галлия и др.Если кристаллы с ковалентным и ионным типами связи рассматривать как предельныеслучаи, то между ними имеется ряд кристаллов, обладающих промежуточными типамисвязи.Металлическая связь реализуется в кристаллах различных металлов и не имеетаналога в двухатомных молекулах.
В металлических кристаллах атомы расположенынастолько близко, что волновые функции внешних электронов существенноперекрываются.Вследствие этого валентные электроны получают возможность переходить от одногоатома к другому и могут довольно свободно перемещаться по всему объему кристалла.Таким образом, валентные электроны в металле нельзя считать связанными с одним илинесколькими ионами металла,.они являются о б щ и м и для всего объема металла.Поэтому валентные электроны в металлах принято называть «обобществленными» или«коллективизированными».Свободно перемещающиеся электроны в металле во многом напоминают молекулыгаза, находящегося в сосуде.
Поэтому для обозначения совокупности свободныхвалентных электронов внутри металлического кристалла используется термин«электронный газ». Электронный газ, несущий отрицательный заряд, связывает впрочную систему положительно заряженные ионы металла. Без «цементирующего»действия электронного газа одноименно заряженные ионы металла должны были быудаляться друг от друга под действием кулоновских сил отталкивания, что привело бы кразрушению кристалла.
Таким образом, под влиянием двух противоположных сил —«стягивающего» действия коллективизированных электронов и сил отталкивания междуионами — последние располагаются на определенном расстоянии друг от друга,соответствующем минимуму энергии системы.Связь Ван дер Ваальса — это связь между атомами или молекулами, обусловленнаявзаимодействием их электрических дипольных моментов. Вандерваальсовы силывзаимодействия возникают между молекулами за счет поляризации неполярных молекулполярными, а также за счет создания мгновенных дипольных моментов. Мгновенныедипольные моменты создаются благодаря тому, что электроны и ядра в атомах инеполярных молекулах находятся в постоянном движении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
