Курс органической химии - Каррер П.
Скачать (прямая ссылка):
Каждое электронное состояние однозначно характеризуется четырьмя квантовыми числами п, I, ш и 5. Энергия системы зависит, в основном, от главного квантового числа л = 1,2,3 и т. д. Азимутальное квантовое число /, которое может принимать любое целочисленное значение от 0 до п— 1, определяет форму электронного облака. Каждому значению / соответствует 2/+1 вырожденных состояний, которые характеризуются определенными значениями магнитного квантового числа пг и имеют разную пространственную ориентацию.
Различные электронные состояния представлены в табл. 2.
ТАБЛИЦА 2
Электронная оболочка п 0 < I <(л -1) Обозначение состояний / = 0, 1, 2, 3 Число состояний л-1 л'=» X (2/ + П 0
К 1 0 1
1 2 0, 1 4-, Р 4
м 3 0, 1, 2 5, р, й 9
N 4 0, 1, 2, 3 5, р, й, / Ш
48
Гл. 2. Углеводороды
Спиновое квантовое число 5 для каждого электрона может принимать лишь одно из двух значений +'/г или —'/з, что обозначается символами | » 4- Это число определяет момент количества движения (вращения) электрона вокруг собственной оси и его магнитный момент. В магнитном поле момент спина может ориентироваться либо в направлении этого поля, либо противоположно ему.
Фундаментальный закон теоретической химии, принцип Паули, в дополнение к квантовой механике, определяет число занятых электронных состояний для всех атомных и молекулярных систем. Согласно этому принципу, в любой системе каждый электрон должен отличаться от другого хотя бы одним из своих четырех квантовых чисел. Отсюда следует, что каждое электронное состояние может быть занято одним или, максимально, двумя электронами с антипараллельными (%) спинами.
В основном состоянии атома строение электронной оболочки отвечает минимальному значению энергии. Это достигается при заполнении имеющимися электронами энергетически наиболее низких уровней. • Энергия атома водорода изменяется обратно пропорционально
квадратам главных квантовых чисел: Е\ : Е2: Еъ = 1 : :-д- • Энергия
ТАБЛИЦА 3
Порядковый номер элемента
л = 2
Обозпачене электронной структуры
4Ве 5В
6С 714 80 9Р 10
и
и
2в
2рх 2ру 2рг т = 1 т= -1 т = 0
її* = (Не)
_1
и
11 и
І І !
П т т
Н N П
(Не) 2« (Не) 2в2 (Не) Жір
(Не) 2в52/>2
(Не) 2эп-2р^ (Не) 2зп-2р* (Не) 2$«2/?з (Не) 2^2/р«= (\е)
Описание химической связи с помощью атомной модели
49
других атомов зависит, кроме того, от азимутального квантового числа. Поэтому энергии 5-, р-, сі- и др. состояний сложного атома различаются между собой, что видно из следующей схемы:
4s................................................ *п .у......................................-3d
I -2S
I
Зр
Согласно правилу Хунда, заполнение двумя электронами каждого из вырожденных состояний (например, р-состояний) происходит лишь после того, как все они заполнились однократно. На этом основании распределение электронов в атомах, находящихся в основном состоянии, можно представить схемой, показанной в табл. 3.
Собственные функции для 5- и р-состояний атома водорода, а также соответствующие электронные облака изображены на рис. 6 и 6а. Для других атомов волновые функции имеют аналогичный характер.
В случае «-состояний электронное облако обладает шаровой симметрией. Если принять за элемент объема шаровой слой с радиусом г и толщиной йт, то величина 4тгг2ф2(г) является мерой вероятности нахождения электрона на расстоянии г от ядра. На рис. 6 изображена радиальная часть функции распределения вероятности в виде пространственного облака. 15-Состояние представляет собой шаровое облако, 25-состояние — концентрически расположенные шар и шаровой слой, разделенные узловой шаровой поверхностью. Объем, заключенный в контуры (рис. 6 и 6а), соответствует вероятности пребывания электрона, равной 95%.
Рис. 6. Атомные состояния Рис. 6а. Атомные состояния электронов,
электронов. Вид s-облаков н Внд /?-облаков (рх, ру и рг ортогональны)
функций 4- (г). и функции ф (X).
Электронные облака трех р-состояний имеют форму гантелей, ориентированных перпендикулярно друг к другу. Вероятность пребывания электрона около ядра равна нулю, и большую часть времени он находится на некотором расстоянии от ядра, вблизи координатной оси.
Необходимо отметить, что построение электронной модели сложного атома из одноэлектронных собственных функций является лишь приближенным. Точный вид собственной функции для системы ядро — оболочка (например, для атома углерода в его основном состоянии)
4 Зак. 605. П. Каррер
50
Гл. 2. Углеводороды
неизвестен. Приближенно собственная функция сложного атома мо-1 жет быть представлена суперпозицией водородоподобных функций! в эффективном кулоновском поле ядра и оболочки. Все утверждения, I высказываемые в терминологии состояний (орбит), следует понимать! только в рамках данного приближения.
Ковалентная связь. Ковалентная связь между двумя одинаковыми атомами, например в молекуле Н2, образуется за счет перекрывания! двух атомных ^-состояний при сближении ядер на расстояние порядка!
1 А. Возникающее при этом двухэлектронное облако является насыщен-1 ным в соответствии с принципом Паули и поэтому обладает меньшей I энергией, чем исходные одноэлектронные облака. Оба электрона пре-1 бывают большую часть времени между ядрами, причем линия, соеди-1 няющая ядра, является осью симметрии электронного облака. Это так! называемое с-состояние или о-связь.
