Майкл Файер - Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Если смещаться по строке слева направо, атомы будут становиться всё меньше. Так, атом Be меньше атома Li, атом B меньше атома Be, атом C меньше атома B и т. д. Уменьшение размеров происходит потому, что все атомы имеют одно и то же главное квантовое число n , однако заряд ядра возрастает. И вновь два эффекта конкурируют друг с другом. Положительный заряд ядра возрастает при смещении вправо по строке. Возрастающий положительный заряд будет притягивать электроны всё ближе к ядру. Однако вместе с тем электронов становится больше. Отрицательно заряженные электроны отталкивают друг друга. Чтобы снизить эффект этого взаимного отталкивания электронов, электронное облако (волна амплитуды вероятности) становится больше. Положительный заряд в центре притягивает к себе все электроны. Однако отрицательно заряженное электронное облако распределено вокруг ядра. С чисто классических позиций в каждый момент электроны, находящиеся с одной стороны атома, отталкиваются электронами, находящимися с другой стороны атома, не так сильно, как они притягиваются ядром, расположенным в центре. Поэтому притяжение побеждает, и атомы становятся меньше по мере движения по строке слева направо.

Итак, мы добрались до четвёртой строки. За аргоном следует первый элемент четвёртой строки — калий (K). Атом K имеет один 4 s -электрон сверх конфигурации аргона. Теперь уже ясно, что он будет образовывать ионы K 1+, чтобы вернуться к замкнутой конфигурации электронной оболочки аргона. В твёрдом виде калий является металлом и проводит электричество. Соль KCl является небольшой составляющей морской соли, которая в основном представлена солью NaCl. Соль KCl растворяется в воде, образуя ионы K 1+и Cl 1−. За K следует кальций (Ca), который имеет два 4 s -электрона сверх конфигурации аргона. Это металл, который образует ионы Ca 2+, отдавая два своих 4 s -электрона, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки аргона. Он образует такие соли, как CaCl 2, которая легко растворяется в воде, образуя катион кальция с зарядом +2 и два хлорид-иона.

И вот теперь у нас происходит большое изменение. На диаграмме энергетических уровней электронов атомов (см. рис. 11.1) видно, что 3 d -орбитали расположены выше по энергии, чем 4 s -орбитали, но ниже 4 p -орбиталей. Как уже говорилось ранее в этой главе, промежуточное положение 3d-орбиталей между 4s- и 4p-орбиталями приводит к появлению первого ряда переходных металлов в Периодической таблице. Существует пять 3 d -орбиталей. Принцип Паули гласит, что на каждой орбитали может быть не более двух электронов. Тогда на пяти 3 d -орбиталях может находиться десять электронов, что приводит к появлению десяти переходных металлов — от скандия до цинка (см. Периодическую таблицу). Поэтому после Ca идут десять элементов, которые появляются за счёт заполнения 3 d -орбиталей. Все они являются металлами, многие из которых широко известны: железо (Fe), медь (Cu), никель (Ni), цинк (Zn) и хром (Cr). Все они легко образуют ионы. Первые два элемента в строке, такие как K и Ca или Na и Mg, всегда образуют катионы с одним конкретным зарядом: +1 для первого столбца (Na 1+и K 1+) и +2 — для второго (Mg 2+и Ca 2+). Однако переходные металлы могут образовывать различные катионы. О них говорят, что они имеют состояния с разной степенью окисления. Когда металл отдаёт электрон, то говорят, что он окисляется. Состояние окисления определяется числом отданных электронов.

Рассмотрим железо. Оно может иметь степень окисления +2 и +3, то есть образует катионы Fe 2+и Fe 3+. Образование Fe 2+легко понять. Fe может, подобно Ca, потерять два своих 4 s -электрона, приобретя степень окисления +2. Кроме того, Fe имеет шесть 3 d -электронов. В соответствии с правилом Хунда эти электроны будут оставаться по возможности неспаренными. Пять электронов могут по одному занять пять 3 d -орбиталей. Это наполовину заполненная конфигурация является частично стабильной. Железо содержит ещё один 3 d -электрон сверх этой конфигурации с наполовину заполненными 3 d -орбиталями, так что атом Fe будет легко расставаться с этим 3 d -электроном в дополнение к двум 4 s -электронам, приобретая степень окисления +3. Поэтому Fe может образовывать такие соли, как FeCl 2и FeCl 3.

Кроме того что 3 d -электроны порождают первый ряд переходных металлов, они также ответственны за ещё одно важное молекулярное явление. Как уже говорилось, кислород будет образовывать две ковалентные связи (использовать совместно с другими атомами два электрона), чтобы достичь электронной конфигурации Ne. Пример тому — молекула воды H 2O. Сера, которая расположена прямо под кислородом, образует соединение H 2S, аналогичное H 2O. Однако она также может образовывать соединение SF 6, задействуя 3 d -орбитали, которые близки по энергии к 3 p -орбиталям. У кислорода нет подобных соединений, поскольку первый набор орбиталей (3 d ) расположен значительно выше по энергии, чем 2 s - и 2 p -орбитали, которые участвуют в образовании связей у элементов второй строки Периодической таблицы.

Первая серия переходных металлов завершается, когда заполнены все 3 d -орбитали. Далее следует элемент галлий (Ga). Ga — это металл, и, подобно алюминию, он будет образовывать ионы с зарядом +3. Конфигурация, в которой 3 d -орбитали целиком заполнены, является очень устойчивой, поэтому Ga образует только катионы с зарядом +3. Стабильность заполненных 3 d -орбиталей также можно наблюдать на примере цинка. Zn образует только ионы с зарядом +2, отдавая два своих 4 s -электрона. Вслед за Ga идут германий (Ge), мышьяк (As) и селен (Se), которые обычно образуют четыре, три и две ковалентные связи соответственно, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки, как у криптона (Kr). Дополнительные связи у Ge, As и Se, как и у элементов, расположенных непосредственно над ними, могут создаваться за счёт 4 d -электронов, которые очень близки по энергии 4 p -орбиталям. Следующий элемент — бром — является галогеном и образует анион с зарядом −1, чтобы достичь замкнутой конфигурации оболочки криптона. И наконец, завершает строку криптон, обладающий замкнутой оболочкой.

Элементы в пятой строке Периодической таблицы следуют той же схеме, что и в четвёртой строке. В пятой строке содержится вторая серия переходных металлов. Элементы шестой и седьмой строк ведут себя подобно занимающим четвёртую и пятую строки, за исключением наличия лантаноидов (первого внутреннего ряда переходных металлов) и актиноидов (второго внутреннего ряда переходных металлов). Они появляются в результате заполнения 4 f - и 5 f -орбиталей (см. диаграмму энергетических уровней для многоэлектронных атомов на рис. 11.1). Орбитали 4 f (для лантаноидов с n =4) и 5 f (для актиноидов с n =5) геометрически гораздо меньше орбиталей 6 s и 6 p , 7 s и 7 p (с n =6 и n =7), которые заполняются в шестой и седьмой строках, поскольку у них меньше главное квантовое число n . Самые внешние электроны (с наибольшим главным квантовым числом) определяют химические свойства атомов, то есть число валентных связей, которые они могут создавать, или ионов, которые они могут образовывать. Поэтому 4 f - и 5 f -орбитали не оказывают существенного влияния на химические свойства.