Курс химической кинетики. 4-е изд. - Эмануэль Н.М.
Скачать (прямая ссылка):
, Для графического изображения волновых функций удобно представить их в виде системы контуров, соответствующих определенным значениям функции. Контуры 1я- и 2рс-орбпталей представлены на рис. 2.
Другой, более широко употребляемый способ изображения волновых функций — это так называемые полярные диаграммы, на которых изображается угловая часть функции. При этом на исхо-
Рис. 2. Контуры Is- (а) и 2рА.-орбіітллеіі (6)
^ * Эго допустимо, поскольку в атоме водорода энергия электрона в каком-либо состоянии зависит только от главного квантового числа п. Согласно законам квантовой механики если две волновые функции соответствуют одному и тому же значению энергии, то и их линейная комбинация, удовлетворяющая условию нормировки (1.1), является волновой функцией, соответствующей некоторому состоянию электрона.
1.0
IE w
дящем из ядра радиусе-векторе откладывают точку, соответствующую в определением масштабе величине угловой части волновой функции. Внутри каждой области, очерчиваемой полярной диаграммой, ставят знак волновой функции. На рис. 3 приведены полярные диаграммы 5- и некоторых р- и ^-орбиталей.
Для полного описания состояния электрона в атоме помимо атомной орбитали необходимо задать состояние внутреннего момента импульса электрона—спина. Спин может иметь две независимые ориентации, которые характеризуются значениями спинового квантового числа т, = —г/2 и т, = +112. ¦ При рассмотрении многоэлектронных атомов следует принимать во внимание принцип Паули, согласно которому два электрона в пределах одной системы (в данном случае в одном атоме) не могут находиться в одинаковом состоянии. Поэтому на одной атомной орбитали не может находиться более двух электронов. Два электрона, находящиеся на одной атомной орбитали, должны отличаться
ориентацией спина (спины антипараллельны) и называются спаренными электронами. Если на какой-либо атомной орбитали находится один электрон, то он называется неспаренным.
Каждой комбинации состояний электронов в атомах соответствует определенное значение полной энергии электронов.
Значения энергии, отвечающие различным состояниям атома, называются энергетическими уровнями атома. Если несколько различных состояний характери-
Рис. 3. Полярные диаграммы для s- и некоторых р- и d-op-бнталей
(^)(+) -гибридные орбитали і
0э
Рис. 4. Формирование sp-гпбридиых , орбнтален (полярные диаграммы)
зуются одним и тем же значением энергии, то соответствующий
(+\ 5я-гибридные орбита.™! ЭНергеТИЧеСКИЙ урОВЄНЬ НЭЗЫ-
^—^ 4 ' вается вырожденным. Состояние
с наименьшей энергией называется основным, остальные состояния — возбужденными.
Совокупность всех орбиталей, отвечающих одному и тому же главному квантовому числу, называют электронным слоем. На нервом электронном слое атома в соответствии с принципом Паули и неравенствами (1.2) может находиться только два электрона в ^-состоянии (два Ь-электрона), на втором — по два 2&'-, 2рх-, 2ру-, 2рг-электрона и т. д. Если электронный слой заполнен, то электроны этого слоя не принимают участия в химических процессах. Поэтому основной интерес с точки зрения химической кинетики представляет строение незаполненного (внешнего) электронного, слоя.
Электроны второго и высших электронных слоев могут нахо-
11
диться' не только в й-, р-, ^-состояниях, но и в так называемых гибридных состояниях (на гибридных атомных орбиталях), которые являются линейными комбинациями исходных атомных орбиталей (см. сноску на с. 10). Простейшим примером гибридных орбиталей могут служить яр-гибридные орбитали, например
,',('•",, '
На рис. 4 приведены полярные диаграммы этих орбиталей. Сохраняя цилиндрическую симметрию относи-Рис. 5. Контуры 5р3-гибрндных но новые орбитали имеют
орбиталей ' ^
существенно повышенную электронную плотность в одном из направлений вдоль оси симметрии, т. е. являются ориентированными, в данном случае в двух противоположных направлениях. Аналогично можно записать волновые функции для Бр'-гибридных орбиталей, образуемых комбинацией одной и двух Ч'р волновых функций:
^гУЬ*-УЬ>*+УЬ>/-
Эти функции ориентированы в плоскости Оху по трем направлениям под углом 120е друг к другу. Орбитали, полученные гибридизацией одной я- и трех р-орбиталей (зря-гибридные атомные орбитали), направлены от центра к вершинам тетраэдра. Эти орбитали, так же, как и яр-гибридные орбитали, сохраняя цилиндрическую симметрию, имеют преимущественную ориентацию в одном из направлений оси симметрии. В качестве примера на рис. 5 приведена контурная диаграмма одной из гибридных я/Аорбиталей. Еще большее разнообразие гибридных орбиталей возможно для состояний с п = 3, так как в гибридизации могут принимать участие сг-элек-троны.
§ 2. МОЛЕКУЛЫ. ПРИРОДА ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ
Молекулы представляют собой образования, состоящие из одинаковых или различных атомов, способные к более или менее длительному существованию в виде индивидуального химического вещества. Последнее обстоятельство отличает молекулы от других атомных образований, например ионов, которые хотя и могут быть в ряде случаев вполне устойчивыми, но взятые сами по себе в от-
