Файл: КР ТИ_КИ.doc

Система четырех квантовых чисел позволяет установить, как распределяются по уровням, подуровням и орбиталям электроны атома. Однако в атоме не может быть двух электронов, характеризующихся одинаковыми наборами четырех квантовых чисел (принцип Паули). Он определяет общее число электронов в атоме.

Пример 2. Сколько электронов может содержать первый энергетический уровень?

Решение. Для первого уровня n = 1. Следовательно, ℓ = 0; m_ℓ = 0; m_s может быть +1/2 и –1/2. Кратко комбинации квантовых чисел можно выразить такой последовательностью: n, ℓ, m_ℓ, m_s. Для первого уровня можно составить следующие комбинации квантовых чисел 1, 0, 0, +1/2 и 1, 0, 0, 1/2. Отсюда следует, что первый уровень может содержать два электрона, а первый период таблицы Д.И.Менделеева должен содержать два элемента.

Максимальное число электронов на энергетическом уровне определяют по формуле z = 2n², где n – номер энергетического уровня, совпадающий со значением главного квантового числа ( n = 1, 2, 3 и тд.).

Максимальное число электронов на энергетическом подуровне определяют по формуле z=2ּ(2ℓ+1), где ℓ – номер энергетического подуровня, совпадающий со значением орбитального квантового числа (ℓ = 0, z = 2; ℓ = 1, z = 6; ℓ = 2, z = 10; ℓ = 3, z = 14 ).

Заполнение электронами атомных орбиталей (АО) в многоэлектронных атомах основано на принципе наименьшей энергии. Каждый электрон занимает ту из доступных для него орбиталей, на которой его энергия будет наименьшей.

Последовательность заполнения электронами подуровней многоэлектронных атомов основана на этом же принципе и согласно правила Клечковского зависит от суммы (n+ℓ).

Впределах каждого значения суммы (n+ℓ) порядок заполнения подуровней соответствует возрастанию главного квантового числа.

Например,

Подуровни

а) 3s 3p ; б) 3d 4s ; в) 3d 4p

n 3 3 3 4 3 4

ℓ 0 1 2 0 2 1

n+ℓ 3 4 5 4 5 5

3s < 3p 4s < 3d 3d ≈ 4p

Е_3s < Е_3р Е_4s< Е_3d Е_3d ≈ E_4p

В случае в) при одинаковой сумме квантовых чисел предпочтение в распределении электронов по орбиталям следует отдать орбитали 3d, как имеющей меньшее значение n = 3.

Пример 3. Какова последовательность заполнения электронами таких подуровней, для которых сумма (n + ℓ) равна 5?

Решение. Составим таблицу возможных значений n и ℓ.

n + ℓ 5

n 3 4 5

ℓ 2 1 0

подуровни 3 d 4 p 5 s

Пример 4. Напишите электронную формулу атома элемента с порядковым номером 12. Определите число электронов на внешнем уровне, к какому семейству элементов данный атом принадлежит, в каком периоде, группе он находится.

Решение. В соответствии с правилом Клечковского подуровни заполняются в такой последовательности: 1s 2s 2p 3s 3p. Из принципа Паули следует, что максимальное число электронов на s – подуровне равно 2, на p – подуровне 6. Суммарное число электронов составило 12: 1 s² 2 s² 2 p⁶ 3 s². Это элемент второй группы, так как на внешнем уровне два электрона на s-подуровне и поэтому он относится к семейству s-элементов. Элемент находится в третьем периоде, так как максимальное значение главного квантового числа равно трем.

Строение атома выражают электронной и электронно-графической формулами. Например, строение атома фтора с порядковым номером девять выражают электронной формулой: 1s² 2s² 2p⁵ и электронно-графической формулой:

⁹F

			↑↓		↑↓	↑
	↑↓
↑↓

Или 1 s 2 s 2 p

↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑

Пример 5. Изобразите электронно-графические формулы атомов углерода и железа.

Решение.

а) электронная формула атома углерода с порядковым номером шесть: ⁶С 1s²2s²2p²; электронно-графическая формула:

⁶C 2p

	2 s		↑		↑
1 s	↑↓
↑↓

Или 1 s 2 s 2 p

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

Внешним является второй энергетический уровень: …2s² 2p² и соответственно

2s2p

↑↓ ↑ ↑.

б) Электронная формула атома железа с порядковым номером двадцать шесть: 1s² 2s² 2p⁶ 3s²3p⁶4s²3d⁶. Внешним является …3d⁶4s² и соответственно: 3d 4s

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑↓.

2.2 Химическая связь Существует два подхода к описанию химической связи: метод валентных связей (мвс) и метод молекулярных орбиталей (ммо).

1. Метод валентных связей исходит из того, что химическая связь осуществляется связывающими электронными парами, каждая из которых принадлежит двум атомам. Связывающие электронные пары могут образовываться по обменному или донорно-акцепторному механизму.

1. По обменному механизму связь возникает за счет перекрывания электронных орбиталей неспаренных электронов двух атомов. В связывающей электронной паре электроны имеют антипараллельные спины.

Пример 1. Покажите, какие орбитали и как участвуют в образовании химиче- ской связи в молекулах: а) Li₂; б) LiF; в) F₂. Напишите графические формулы этих молекул.

Решение: Электронные формулы атомов лития и фтора имеют вид:

³Li 1s²2s¹2p^{0 9}F 1s²2s²2p⁵

и электронно-графические формулы их соответственно:

2s 2p 2s 2p

↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑

Li F

Неспаренный электрон атома лития занимает 2sорбиталь, а атома фтора 2pорбиталь. Следовательно, эти орбитали участвуют в образовании химической связи вышеприведенных соединений. Это можно представить:

Li-Li Li-F

F-F

Число связей, которые образует атом по обменному механизму, как правило, равно числу его неспаренных электронов в основном или валентно-возбужденном состоянии. В методе валентных связей исходят из того, что валентновозбужденные состояния атома, отличающиеся от основного большим числом неспаренных электронов, получают переводом одного или нескольких электронов электронных пар на свободные орбитали другого подуровня того же электронного уровня.

Пример 2. Сколько связей по обменному механизму могут образовать атомы серы и кислорода? Напишите эмпирические формулы их соединений со фтором.

Решение. Кислород с порядковым номером восемь является элементом 2-го периода. Электронная формула ⁸О 1s²2s²2p⁶. На валентном уровне атом имеет 4 орбитали и 6 электронов:

2s 2p

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

В валентном электронном уровне атома кислорода нет вакантных орбиталей. Следовательно, атом кислорода может образовать по обменному механизму только две связи. Соединение со фтором имеет формулу ОF₂ и соответственно графическую F-O-F.

Сера с порядковым номером шестнадцать – элемент 3-го периода. Электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁴.

Валентный уровень серы состоит из 3-х подуровней и 9 орбиталей.

Атом серы может иметь два валентно-возбужденных состояния.

3s 3p 3d

↑↓ ↑↓ ↑ ↑

3s 3p 3d

↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑сера (IV)