Химия

Квантовые числа, описывающие электронное состояние атома

 

 

Рис. 1. Уравнение Шредингера

Особенности строения органических соединений связаны с особенностями строения атома углерода. Особенности строения атома углерода объясняет наука квантовая механика. Основные положения квантовой механики сводятся к необходимости решить уравнение Шредингера, описывающее поведение электронов в атоме (рис. 1). В результате решения получается набор, описываемый 4-мя квантовыми числами, которые позволяют предсказать очень многое в свойствах атома. Квантово-механические расчеты позволяют определить наиболеее устойчивые конфигурации атомов и молекул.

Описание электронного состояния атома

Рис. 2. Атом водорода

Рассмотрим простейший атом – атом водорода. Он состоит из одного электрона и одного протона (рис. 2). Энергию электрона в атоме водорода можно представить как большую лестницу в многоэтажном здании. Наибольшая энергия присутствует на так называемых лестничных пролетах.

• В квантовой механике – это главное квантовое число (n). Оно принимает значения 1, 2, 3, 4 и т. д.
• Орбитальное квантовое число можно представить как ступеньки между лестничными пролётами. Оно принимает значения от нуля l = 0, 1, 2, ... до n-1.

Буквенные обозначения орбитального квантового числа : s, p, d, f и т. д.

• Поведение электрона описывает третье число: магнитное квантовое число m_l

 (m_l ) = -l,…-2, -1, 0, +1, +2,…+l

• Спиновое квантовое число m_s. Оно принимает значения m_s = +1/2, -1/2, независимо от главного и орбитального квантовых чисел.

Спин электрона позволяет ему взаимодействовать с другим электроном, несмотря на электрические силы отталкивания, которые имеют очень большие величины (рис. 3).

Рис. 3. Электроны с разными m_s

 

Принцип Паули

 

 

 

Рис. 4

Для описания поведения электрона в атоме нужен принцип, устанавливающий взаимосвязь всех квантовых чисел. Этот принцип вывел немецкий теоретик В. Паули (рис. 4). Он гласит: В одной квантовой системе не может быть двух квантовых объектов с полностью одинаковым набором квантовых чисел. Т. е. в одном атоме не может быть двух одинаковых электронов. Используя квантовые числа и принцип Паули, получаем электронное строение атомов.

 

Уникальность атома углерода

 

 

Рассмотрим строение атома углерода. Углерод оказался уникальным атомом. В чем его уникальность? В нем присутствует некая симметрия. На 4-х орбиталях находится 4 электрона. Он может образовывать целых 4 связи. Это максимальное число связей для элементов второго периода (рис. 5).

 

Рис. 5. Электронное строение атома углерода

Углерод в своих соединениях проявляет валентность II и IV. Двухвалентный углерод находится в своей основной электронной конфигурации, а IV-валентный находится в возбужденной конфигурации. При переходе в возбужденное состояние, электрон с 2s орбитали занимает вакантное место на 2р орбитали (рис. 6). При образовании химической связи происходит гибридизация электронных облаков. Углерод может проявлять степени окисления от -4 до +4. К неорганическим соединениям углерода относятся его оксиды, угольная кислота, её соли – карбонаты и гидрокарбонаты и карбиды. В неорганических соединениях углерод проявляет степень окисления +4, +2, и несколько отрицательных степеней окисления в карбидах.

Рис. 6. Два состояния атома углерода

Одной из особенностей атомов углерода есть его особенность образовывать цепочки неограниченной длины. Из-за этого и существует огромное число органических соединений.

 

Четыре первопринципа

 

 

Описание мира на основе четырех базовых первопринципов не было открытием тех ученых, которые создавали квантовую механику. С V века до нашей эры известно, что картина мира, как в европейской части земного шара, так и в Древнем Китае описывалась на базе 4-х первопринципов. Это принципы огня, воздуха, земли и воды. В XX веке их заменили 4 квантовых числа.

 

 

Подведение итога урока

В ходе урока вы изучили тему «Электронное строение атома углерода». Было сформировано понятие об электронных орбиталях и возможных валентных состояниях атома углерода, рассматривался принцип Пауля. Проводилось составление электронно-графических формул атомов химических элементов.

 

Список литературы

1. Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Химия. 10 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2008. – 463 с.
3. Химия. 11 класс. Профильный уровень: учеб. для общеобразоват. учреждений / В. В. Еремин, Н. Е. Кузьменко, В. В. Лунин и др. – М.: Дрофа, 2010. – 462 с.
4. Хомченко Г. П., Хомченко И. Г. Сборник задач по химии для поступающих в вузы. – 4-е изд. – М.: РИА «Новая волна»: Издатель Умеренков, 2012. – 278 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «Химик» (Источник)

 

Домашнее задание

1. №№ 14, 15 (с. 11) Рудзитис Г. Е. Химия. Основы общей химии. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый уровень / Г. Е. Рудзитис, Ф. Г. Фельдман. – 14-е издание. – М.: Просвещение, 2012.
2. Сформулируйте принцип Паули.
3. В чем уникальность строения атома углерода?