Файл: Хабердитцл, В. Строение материи и химическая связь.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 21.10.2024

Просмотров: 125

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

 

 

5. Электронные оболочки

атомов

отдельных

комбинаций. Для S =

1 мы находим М —

= —1,

0,

+1.

Этим значениям

М соответствует один

полный

момент

количества движения L = 1. Следова­

тельно, эта комбинация образует атомное состояние 3Р. Для S = О М имеет следующие значения: —2, —1, О, +1, +2 и, кроме Тбго, еще одно значение, равное 0. Этим значениям М отвечают два разных значения

М -2

0 +2 -1 0 +1 -1 0 +/

Рис. 17. Атомные состояния углерода.

L : L — 2 и L =

0. Таким образом, мы получили еще два

других атомных состояния, возможных для атома углеро­ да, Ю и XS. Какое же из трех выведенных возможных состояний является основным? На этот вопрос нельзя ответить в рамках одноэлектронной модели, так как не­ обходимо учитывать взаимодействие электронов. Позд­ нее мы сможем рассмотреть этот вопрос подробнее, а здесь сформулируем результат в форме правила Гунда: из рассчитанных нами атомных состояний наиболее устой­ чиво то, при Котором спины электронов направлены па­ раллельно. Поэтому основным состоянием атома С яв­ ляется состояние 3Р, что подтверждено спектроскопиче­ скими исследованиями.

Так же, как и для атома С, и с тем же упрощением можно вывести основные состояния атомов следующих элементов: N, О, F и Ne. В случае Ne s- и /j-уровни «оболочки» с п — 2 заполнены полностью; последующие электроны не могут быть расположены здесь без наруше­ ния принципа Паули, что и обусловливает заполнение одноэлектронных уровней оболочки с п = 3. Это проис­ ходит совершенно так же, как для оболочки с п = 2,

5-208

Таблица 5

Основные состояния атомов

Z

 

 

к

L

2P

M

3p

M

N

 

Ad

4f

0

5p

5d

P

Q

 

 

 

Is

2s

3s

4s 4p

5s

6s 6p 6d

7s

1

Н

2S t/,

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Не

‘So

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

Li

‘Sj/s

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

Be

ls0

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

В

2p i /-2

2

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

С

3PB

2

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

N

 

2

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

О

sp 2

2

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

F

2p*h

2

2

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

Ne

‘S0

2

2

6

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Na

2S ,/2

2

2

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Mg

‘S 0

2

2

6

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

А1

2P,h

2

2

6

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

Si

3Po

2

2

6

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Р

‘S 3/2

2

2

6

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

S

SP2

2

2

6

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

Cl

*PSh

2

2

6

2

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

Ar

‘S*

2

2

6

2

6

 

1

 

 

 

 

 

 

 

19

К

2S l/a

2

2

6

2

6

 

 

 

 

 

 

 

 

20

Ca

‘So

2

2

6

2

6

1

2

 

 

 

 

 

 

 

21

Sc

 

2

2

6

2

6

2

 

 

 

 

 

 

 

22

Ti

*F3

2

2

6

2

6

2

2

 

 

 

 

 

 

 

23

V

*F*h

2

2

6

2

6

3

2

 

 

 

 

 

 

 

24

Cr

7S3

2

2

6

2

6

5

1

 

 

 

 

 

 

 

25

Mn

6S3/2

2

2

6

2

6

5

2

 

 

 

 

 

 

 

26

Fe

6D4

2

2

6

2

6

6

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S5

Й

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 7

Co

V l/*

2

2

6

2

6

7

2

 

 

 

 

 

 

 

2 8

Ni

3F$

2

2 6

2 6 8

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2 9

Cu

2S , / 2

2

2 6

2 6 10

1

 

 

 

 

 

 

 

3 0

Zn

‘So

2

2 6

2 6 10

2

 

 

 

 

 

 

 

 

31

Ga

2P j*

2

2

6

2

6

10

2

1

 

 

 

 

 

 

 

3 2

Ge

3Pa

2

2 6

2 6 10

2

2

 

 

 

 

 

 

 

3 3

As

* s ,h

2

2 6

2 6 10

2

3

 

 

 

 

 

 

 

3 4

S e

3P*

2

2

6

2

6

10

2

4

 

 

 

 

 

 

 

35

B r

2P a/*

2

2

6

2

6

10

2

5

 

 

 

 

 

 

 

3 6

K r

‘So

2

2

6

2

6

10

2

6

 

 

1

 

 

 

 

3 7

Rb

2S j ,

2

2 6

2 6 10

2

6

 

 

 

 

 

 

3 8

S r

‘•So

2

2

6

2

6

10

2

6

 

 

2

 

 

 

 

3 9

Y

* 'V i

2

2

6

2 6 10

2

6

1

 

2

 

 

 

 

4 0

Zr

•F,

2

2

6

0

6

10

2

6

2

 

2

 

 

 

 

41

Nb

6D j 2

2

2 6

2 6 10

2

6

3

 

1

 

 

 

 

4 2

Mo

7s 3

2

2 6

2 6 10

2

6

4

 

1

 

 

 

 

4 3

Tc

es3/2

2

2

6

2

6

10

2

6

5

 

2

 

 

 

 

4 4

Ru

bF 6

2

2 6

2 6 10

2

6

5

 

I

 

 

 

 

4 5

Rh

*a 3/2

2

2

6

2

6

10

2

6

7

 

1

 

 

 

 

4 6

Pd

‘So

2

2

6

2

6

10

2

6

8

 

1

 

 

 

 

4 7

Ag

2S , / 2

2

2 G

2 6 10

2 6

10

 

 

 

 

 

48

Cd

‘So

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

 

 

 

 

4 9

In

zP \h

2

2 6

2 6 10

2 6 10

 

2 1

 

 

 

5 0

Sn

sPo

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

2

 

 

 

51

Sb

‘S3/2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

3

 

 

 

5 2

Те

3P i

2

2 6

2 6 10

2 6 10

 

2 4

 

 

 

5 3

I

2P*U

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

5

 

 

 

5 4

Xe

‘So

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

6

 

1

 

5 5

Cs

2S ,/2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

6

 

 

56

Ba

‘S0

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

6

 

2

 

57

La

203/2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

 

2

6

1

2

 

68

Ce

3Я4

2

2 6

2 6 10

2 6 10

1

2 6 1

2

 

Продолжение табл. 5

Z

 

| 1 • f

К

L

2p

M

3p

 

N

 

 

4d

4/

0

5p

5d

P

6p 6d

Q

1

 

 

 

l<

2s

3s

2d

4s 4p

5s

6s

7s

59 ■Рг

! '% A

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

•2 6

2 6 10

2 6

 

10

3

2 6

 

 

2

 

 

60

Nd

;

 

2

2 6

2 6 10

2 6

 

10

4 - 2 6

 

 

2

 

 

61

Pm

j

 

2

2 6

2 6 10

2 6 10

5

2 6

 

 

2 ?

 

62

! Sm

i

7A„'

2

2

6 .

2

6

10

2

6

 

10

6

2

6

 

 

2

 

 

63

Eu

1 • s *

2

2 6

■2 6 10

2 6

 

10

7

2 6

 

 

2

 

 

.64

. Gd

,

9D'

2

2

6

2

6

10

2

6

 

10

7

2

6

 

1

2

 

!

65 1 тЬ

!

—

2

2 6

2 6 10

2 6 10

9

2 6

 

 

' 2

 

 

66

Dy

I % .

2

2 6

2 6 10

2 6

10 10

2

6

 

 

2

 

 

'67

| Ho

 

 

2

2

6

2

6

10

2

6

 

10

11

2

6

 

 

2

 

 

68 . Er

1

 

2

2 6

2 6 10

2 6

 

10 12

2

6

 

 

2

 

 

.69

; ■Tm

 

 

2

2

6

2

6

10

2

6

 

10

13

2

6

 

 

2

 

 

70

Yb

! ‘V

2 !

2 6

2

6

10

2

6

10 14

2

6

 

 

2

 

>

71

Lu

! 2A *

2

2

6

2

6 10

2

6 10 14

2

6

 

1

2

 

I

72

Hf

i

V*

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

 

2

2

 

 

73 : Т а

!

^ 3 /i

2

2

6 •

2

6 10

2 6

10 14

2

6

 

3

2

 

 

74 ' w

!

 

2

2

6

2

6

10

2 6

 

10 14

2

6

4

2

 

 

75

Re

 

 

2

2

6

2

6 10

2

6 10 14

2

6

5

2

 

 

76

Os

 

:>D t

2

2 6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

6

2

 

 

77

I r

 

*F

2

.2

6

2

6

10

2 6

10

14

2

6

7

2

 

 

78

Pt

 

(Ю )

2

'2 6

2

6

10

2

6

10 14

2

6

9

1

?

 

79

Au

 

2S ; ,

2

2 6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

1

 

 

80

H g

 

%

2

2 6

2 6

10

2 6

 

10 14

2

6

10

2

 

 

—1 . '

81

T1

2Л /2

2

2 6

2 6 10

2 6

10 14

2 6 10

 

2

1

 

 

 

82

Pb

 

 

 

 

3Л>

2

2 6

2 6 10

2 6 10 14

2 6 10

 

2 2

 

 

 

83

Bi

 

 

 

 

45з/а

2

2 6

2 6 10

2 6

10 14

2 6 10

 

2 3

 

 

 

84

Po

 

 

 

 

*Р2

2

2 6

2 6 10

2 6

10 14

2 6 10

 

2 4

 

 

 

85

At

 

 

 

 

2Р3/2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

5

 

 

 

86

Rn

 

 

 

 

'S 0

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

6

 

 

 

87

Fr

 

 

 

 

2S ,/2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

6

 

1

 

88

Ra

 

 

 

‘So

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

6

 

2

 

89

Ac

 

 

 

(2D 3/ 2)

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

6

1

2

?

90

Th

 

(V*)

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

 

2

6

2

2

?

91

Pa

 

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

2

2

6

1

2

?

92

U

 

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

3

2

6

1

2

 

93

Np

?

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

4

2

6

1

2

?

94

Pu

?

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

6

2

6

 

2

?

95

Am

?

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

7

2

6

 

2

 

96

Cm

7

 

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

7

2

6

1

2

?

97

Bk

7

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

9

2

6

 

2

?

98

Cf

7

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

10

2

6

 

2

?

99

Es

7

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

11

2

6

 

2

?

100

Fm

?

 

2

2

6

2

6

19

2

6

10

14

2

6

10

12

2

6

 

2

7

101

Md

7

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

13

2

6

 

2

?

102

(No)

?

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

14

2

6

 

2

?

103

Lr

7

 

2

2

6

2

6

10

2

6

10

14

2

6

10

14

2

6

1

2

?

104

Ku

?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

105

(Eka— Та)

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

70

Часть I. Основные понятия химической связи

пока мы снова не доходим до инертного газа, Аг. Это также приводит и к одинаковым основным термам. Следователь­ но, элементы обоих «коротких» периодов, стоящие друг под другом в периодической таблице, имеют электронные оболочки аналогичного строения.

Строение других элементов периодической системы мы не будем описывать подробно. Энергетическую последо­ вательность одноэлектронных уровней для более высо­ ких оболочек и особенности их заполнения, которые обус­ ловливают, например, появление элементов побочных групп и лантанидов, можно найти в обзорной табл. 5. Нижний индекс при терме указывает, как складываются орбитальный и спиновый моменты количества движения в полный момент.

5.6. Границы применимости одноэлектронной модели, атомы и молекулы

Мы видели, что даже пренебрегая взаимодействием электронов, можно в общем хорошо понять закономер­ ности периодического строения электронных оболочек. Однако таким образом не удается объяснить некоторые важные явления — например, те, которые лежат в основе правила Гунда. Даже возбужденные состояния простей­ шего многоэлектронного атома — гелия — нельзя объяс­ нить в таком приближении. При включении в рассмотре­ ние взаимодействия электронов необходимо обратить внимание на определенные особенности симметричных

и антисимметричных собственных функций, упомянутые

вразд. 3.6. Мы хотели бы сначала рассмотреть эти чрез­ вычайно важные особенности на другой двухэлектрон­ ной системе, молекуле Н2, хотя мы столкнулись с ними уже в случае атома Не. Эти особенности очень тесно свя­ заны с явлением химической связи, которое мы рассмот­ рим в следующей главе. Отметим здесь, однако, что при­ чины, обусловливающие стабильную структуру атома Не, аналогичны тем, которые позволяют молекуле Н2 выступать в качестве устойчивой многоэлектронной си­ стемы. В физическом смысле нет никакой принципиальной разницы между атомом и молекулой. Несмотря на это,

6. Формы проявления химической связи

11

объединение в стабильную «многочастичную» систему с несколькими атомными ядрами принято называть хи­ мической связью.

6.ФОРМЫ ПРОЯВЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКОЙ с в я з и

6.1.Уровни энергии и структура молекул

Кпростейшим системам с химическими связями при­ надлежат те молекулы, построение которых из атомов правильно описал еще Авогадро, — это двухатомные мо­ лекулы газообразных элементов (Н2, N2 и т. д.). Самой

простой молекулой является система из трех частиц с од­ ной химической связью — молекулярный ион Н^, со­ стоящий из двух протонов и одного электрона. Прежде чем рассматривать причины устойчивости простых мо­ лекул и для того, чтобы понять сущность химической связи в простейших формах ее проявления, следует по­ знакомиться с экспериментальными доказательствами су­ ществования энергетических уровней в молекулах. При переходе от атомов к молекулам энергетические характе­ ристики значительно усложняются, так как кроме из­ менения энергии электронов появляется возможность изменений вращательной и колебательной энергии. Из­ менения энергии, как правило, накладываются одно на другое, поэтому спектры молекул весьма сложны. Раз­ личают приблизительно три типа спектров: вращательные в длинноволновой инфракрасной области (500—50 мкм), вращательно-колебательные в коротковолновой инфра­ красной области (10—1 мкм) и вращательно-колебатель­ ные электронные в видимой и ультрафиолетовой областях.

В табл. 6 представлен электромагнитный спектр.

6.1.1. Вращательные спектры

Проще всего (в форме полос поглощения) вращатель­ ные спектры проявляются в случае двухатомных молекул, разумеется, при условии, что центры тяжести положи­ тельных и отрицательных зарядов не совпадают и моле­ кула обладает дипольным моментом. Вывод вращатель­ ных термов осуществляется довольно просто при помощи

72

Часть

I. Основные

Понятия химической

связи

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрома

Область спектра

у-Лучи

 

Рентгеновские Вакуумный

 

лучи

 

УФ

Длина волны

 

СМ

10-ю

ю-»

10-е

ю-7

10-е

 

 

А

К)"2

10-1

1

10

100

 

нм и мкм

 

 

 

 

1 нм

10 нм

Волновое

 

 

 

 

 

 

 

 

1

МГц

 

 

 

 

 

 

число

 

 

 

 

 

 

Частота у ==

с

с-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергия

 

эВ

1,2 4 -10« =

1,24-10»

1,24-10*

1240

124

1 кванта Лу

 

-1 ,2 4

МэВ

 

 

 

2860

 

ккал/моль

 

 

 

 

 

 

[0 =

К

14 500

10»

 

 

 

1 450 000

 

Н ф ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Электрон­

 

 

 

 

 

 

Близъядерные

ные пере­

Процессы

 

Ядерные процессы

электронные

ходы в ва­

 

 

 

 

 

 

переходы

лентной

 

 

 

 

 

 

 

 

оболочке

уравнения Шредингера для «жесткого волчка» с

момен­

том инерции 0 = mr2. В качестве координаты введем в

это уравнение путь по круговой орбите q — r-w и рас­ смотрим специальный случай вращения в одной пло­

скости.

Так

как d(rw) =

rdw, получим

 

д2Ф

2т

 

 

 

2т

 

dq2

h2 <£

- £' >

,

* - 5 W

+ h2 £ гогФ =

~

а2Ф

2тгг

С

д2ф

20

дсо2

h2

•£fOt^

&й2

h2 • £ гыФ = 0.

Решениями этого уравнения являются следующие собст­ венные функции:

ф = cos

2£rotQ

(О и ф = sin j / ^ ° — со.

 

h2

 

 

6.

Формы

проявления химической

связи

 

 

73

 

 

 

 

 

 

 

Т абли ца 6

гнитный

спектр

 

 

 

 

 

 

 

УФ н видимая

Ближняя

Дальняя

Микроволны

Радиоволны

 

 

 

ик

ИК

 

 

 

 

 

 

10-6

ю-*

10-»

ю -2

10-1

1

10 Ю2

10s

10*

10s

1000

 

 

100 мкм

 

 

 

 

 

 

100 нм

1 мкм 10 мкм

 

 

 

 

 

 

 

10 000

1 000

100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 105

3 10* 3

103 З-Ю2

30

3

0,3

12,4

1,24

0,124

0,0124

0,00124

 

 

 

 

 

286

28,6

2,86

0,286

 

 

 

 

 

 

145 000

14 500

1450

145

14,5

1,45

 

 

 

 

Электронные

Колеба­ Враще­

Зеемановские Переходы между

ядер-

переводы в ва­

ния мо­

ния мо­

лентной обо­

лекул

лекул

переходы

ными спинами

 

лочке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В качестве совершенно естественного здесь «граничного условия» следует учесть, что функция ф после одного полного цикла всегда должна снова принимать то же значение:

ф (со) = ф (со - f 2л) = ф (со - г 4я).

Отсюда легко получить как энергию вращения, так и ее квантование

У=0,1,2,3...; ETOl= - ^ - - k 2 (k = 0,1,2,3).

При переходе к трехмерному решению задачи вместо тригонометрических собственных функций появляются более сложные, шаровые функции, а в собственных значе-

Смотрите также файлы