Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир
Шрифт:
Осмий Os 76
Палладий Pd 46
Платина Pt 78
Плутоний Pu 94
Полоний Po 84
Празеодим Pr 59
Прометий Pm 61
Протактиний Pa 91
Радий Ra 88
Радон Rn 86
Резерфордий Rf 104
Рений Re 75
Рентгений Rg 111
Родий Rh 45
Ртуть Hg 80
Рубидий Rb 37
Рутений Ru 44
Самарий Sm 62
Свинец Pb 82
Селен Se 34
Сера S 16
Серебро Ag 47
Сиборгий Sg 106
Скандий Sc 21
Стронций Sr 38
Сурьма Sb 51
Таллий Tl 81
Тантал Ta 73
Теллур Te 52
Тербий Tb 65
Технеций Tc 43
Титан Ti 22
Торий Th 90
Тулий Tm 69
Углерод C 6
[Унунпентий] Uup 115
[Унунтрий] Uut 113
Уран U 92
Фермий Fm 100
Флеровий Fl 114
Фосфор P 15
Франций Fr 87
Фтор F 9
Хассий Hs 108
Хлор Cl 17
Хром Cr 24
Цезий Cs 55
Церий Ce 58
Цинк Zn 30
Цирконий Zr 40
Эйнштейний Es 99
Эрбий Er 68
В
Прежде чем перейти к рассмотрению свойств элементов, мы вкратце пройдёмся по первым двум строкам Периодической таблицы, чтобы почувствовать её структуру и понять, что такое «заполненная оболочка» в применении к электронной конфигурации. Затем мы обсудим, как использовать таблицу для понимания свойств элементов.
Структура Периодической таблицы
С учётом диаграммы энергетических уровней (см. рис. 11.1) и трёх правил заселения энергетических уровней электронами водород (символ H, атомный номер 1) имеет один электрон на 1s– орбитали согласно правилу о том, что самые нижние уровни заселяются первыми, если это не нарушает принцип Паули. Водород находится в верхнем левом углу Периодической таблицы. Это первый элемент в строке 1. Следующий элемент — это гелий (He, 2). На его 1s– орбитали находятся два электрона с противоположными спинами (стрелка вверх и стрелка вниз, как показано на рис. 11.2). Эта конфигурация удовлетворяет принципу Паули и правилу о том, что позиции с наименьшей энергией занимаются первыми, который перекрывает правило Хунда, поскольку потребовалось бы слишком много энергии, чтобы поместить второй электрон гелия на энергетический уровень 2s (см. рис. 11.1). Гелий находится в верхнем правом углу Периодической таблицы — он завершает первую строку. Эта первая строка состоит из двух элементов — H и He с электронами на уровне n=1. Строки таблицы также называют периодами. Гелий завершает первый период. Говорят, что гелий имеет заполненную (или замкнутую) электронную оболочку, поскольку это старший элемент, все электроны которого имеют n=1.
Следующий элемент — это литий (Li, 3). Он имеет три электрона. Первые два электрона занимают энергетический уровень 1s, подчиняясь правилу о том, что сначала заселяется самый нижний доступный уровень. Третий электрон не может разместиться на 1s– орбитали, поскольку это нарушало бы принцип Паули. Поэтому третий электрон занимает 2s– орбиталь. В Периодической таблице Li располагается под H. H — это первый элемент с электроном, находящимся в оболочке n=1. Li — это первый элемент второго периода, соответствующего оболочке с n=2.
Следующий элемент — это бериллий (Be, 4). Четвёртый электрон также занимает 2s– орбиталь. Это самое низкое энергетическое состояние, не нарушающее принцип Паули. Далее следует бор (B, 5) с пятью электронами. Пятый электрон не может занять 2s– орбиталь, поскольку это нарушило бы принцип Паули, утверждающий, что на одной орбитали может находиться не более двух электронов, которые должны иметь противоположные спины (спиновое квантовое число s=+ 1/2 или s=- 1/2 ). Поэтому пятый электрон заселяется на 2p– орбиталь, а на какую именно из 2p– орбиталей, не имеет значения. Следуя рис. 11.3, будем считать, что это 2px– орбиталь. Между Be и B в таблице есть разрыв. Причина его появления прояснится
Следующим идёт углерод (C, 6) с шестью электронами. Теперь в игру вступает правило Хунда, и мы помещаем шестой электрон на 2py– орбиталь, следуя схеме, представленной на рис. 11.3. Следующий элемент — азот (N, 7). Согласно правилу Хунда, седьмой электрон N заселяется на 2pz– орбиталь, чтобы ни один из электронов на p– орбиталях не был спаренным. Кислород (O, 8) имеет восемь электронов. Восьмой электрон должен быть спаренным, поскольку из первых семи электронов два занимают 1s– орбиталь, ещё два — 2s и по одному электрону находится на каждой из 2p– орбиталей. Чтобы избежать спаривания спинов, надо поместить восьмой электрон на 3s– орбиталь, которая требует значительно более высокой энергии. Поэтому, как и на рис. 11.3, восьмой электрон заселяется на 2px– орбиталь. Фтор (F, 9) обладает девятым электроном, который располагается на 2py– орбитали. Наконец, неон (Ne, 10) завершает период n=2 с оболочкой из 10 электронов. Десятый электрон заселяется на 2pz– орбиталь.
Конфигурации с замкнутыми оболочками
Электронная конфигурация неона изображена на рис. 11.5. Ни один дополнительный электрон не может заселиться на вторую оболочку (орбитали с n=2) без нарушения принципа Паули. Как будет объяснено далее, элементы He, Ne, Ar, Kr и т. п., занимающие последнюю колонку в правой части Периодической таблицы, — особые. Эти элементы называются благородными газами. Все они обладают замкнутыми (заполненными) оболочками, то есть со следующего элемента, имеющего на один электрон больше, начинают заполняться орбитали с квантовым числом n на единицу больше, а значит, обладающие значительно более высокой энергией.
Рис. 11.5. Электронная конфигурация атома неона (Ne, 10). Вторая оболочка заполнена
Атомы стремятся образовывать конфигурации с замкнутыми оболочками
Теперь мы готовы использовать диаграмму энергетических уровней (см. рис. 11.1) и наши три правила расселения электронов по энергетическим уровням для объяснения строения Периодической таблицы и свойств элементов. В следующих главах будет подробно разбираться вопрос о том, что удерживает атомы вместе в составе молекул, однако очень многое можно понять на основе поразительно простого правила: атомы будут захватывать или отдавать электроны, стремясь к ближайшей конфигурации с заполненной оболочкой. Замкнутые электронные оболочки — это электронные конфигурации благородных газов, которые располагаются в правой колонке Периодической таблицы. Конфигурации с замкнутыми оболочками исключительно стабильны. Благородные газы, также называемые инертными, обладают заполненными оболочками и в основном химически инертны. Благородные газы с малыми атомными номерами — гелий, неон и аргон — вообще не образуют химических соединений. Благородные газы с более высокими атомными номерами в особых условиях можно заставить образовать небольшое число соединений. Атомы, отличные от благородных газов, меняются в направлении, приближающем их к образованию устойчивой замкнутой электронной оболочки.
Есть два способа, которыми атом может изменить число своих электронов, чтобы достичь замкнутости электронной оболочки. Первый способ — стать положительным ионом (катионом) или отрицательным ионом (анионом). Атом отдаёт один или больше своих электронов и становится положительно заряженным (катионом) или захватывает дополнительные электроны и становится отрицательно заряженным (анионом). Альтернативный путь для атома состоит в том, чтобы совместно использовать электроны с одним или несколькими другими атомами. Когда два или более атома объединяют электроны, это действует так, как если бы каждый атом обладал необходимыми ему электронами. Тем самым атом с меньшим числом электронов, чем требуется для образования следующий замкнутой электронной оболочки, получает нужное их число, но то же самое происходит и с другими атомами, задействованными в совместном использовании.