химический каталог




Органическая химия

Автор Р.Моррисон, Р.Бойд

рчески подходит к наблюдаемым фактам; она показала, как объединить и единообразно объяснить эти факты и как можно обнаружить их скрытую связь друг с другом» (К- А- Коулсон, Лондон, 1951 г.).

L5. Атомные орбитали

Волновое уравнение не может точно ответить на вопрос о нахождении электрона в любой определенны й момент времени или о скорости его движе-ия; оно не позволяет нарисовать точную орбиту около ядра. Вместо

лого оно дает вероятность нахождения электрона в любой определенной точке.

Элемент пространства, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью. Существуют различные типы орбиталей, имеющих различные размеры и формы и расположенных определенным образом около' ядер атомов. Тип орбитали, занимаемой электроном, зависит от его энергии. Именно формы этих ©рбнгааей и их расположение относительно друг друга представляют особый интерес, поскольку они определяют (или, более точно, удобно считать, что они определяют) пространственное расположение атомов в молекуле и даже помогают установить ее химические свойства.

Удобно изображать электрон размазанным в виде облака. Можно рассматривать это облако как неясную фотографию быстро движущегося электрона. •Форма облака — это форма орбитали. Облако неоднородно, и плотность его

a g

Рис. 1.1. Атомная s-орбиталь (ядро находится в центре).

наибольшая в тех областях, где наиболее вероятно нахождение электрона т.. е. в тех областях, где средний отрицательный заряд, или электронная плотность, наибольшие. Такое электронное облако показывает распределение заряда.

Рассмотрим формы некоторых атомных орбиталей. Орбита ль с наиболее низким энергетическим уровнем называется ls-орбиталью. Она представляет собой сферу, в центре которой находится ядро атома (рис, 1.1). Орбиталь не имеет определенной границы, поскольку существует, хотя и очень малая, вероятность найти электрон на значительном расстоянии от ядра или даже у другого атома! Однако вероятность очень быстро уменьшается за пределами определенного расстояния от ядра, так что распределение заряда достаточно хорошо представлено электронным облаком на рис. 1.1, а. Для простоты можно даже представить орбиталь, как на рис. 1.1, б, где сплошные линии ограничивают область, в которой электрон находится большую часть времени (95%).

Затем следует 2$-орбиталь, обладающая более высокой энергией. Она также имеет форму сферы, в центре которой находится ядро атома. Она, естественно, больше ls-орбиталн: большая энергия (меньшая стабильность) является следствием большего среднего расстояния между электроном и ядром, в результате чего уменьшается электростатическое притяжение. (Рассматривается работа, которую следует затратить, чтобы оторвать электрон от противоположно заряженного ядра.)

Далее следуют три орбитали с равной энергией, которые называются 2р-орбиталями (рис. 1.2). Каждая 2р-орбиталь имеет форму гантели. Она

&

у

б

состоит из двух частей, между которыми расположено атомное ядро. Ось каждой 2р-орбитали перпендикулярна осям двух других р-ор бита лей. Эти орбитали называются 2рх, 2ри и 2рт, где х, у и z — соответствующие оси.

Рис. 1.2, Атомные р-орбитали. Оси взаимно перпендикулярны.

а — поперечный разрез двух тестей одной орвктали; б — приблизительная форма орбитали Б виде пары искаженных эллипсоидов; в — изображение в виде пары иесощжкасакмцихся сфер.

1.6. Электронная конфигурация.

Принцип запрета Паули

Существует ряд правил, определяющих распределение электронов в атоме, т. е. электронную конфигурацию атома.

Наиболее важным из этих правил является принцип Паули (принцип исключения или запрета): данную электронную орбиталь могут занимать только два электрона и только при условии, что они обладают противоположными спинами, Такие электроны с противоположно направленными спинами называются спаренными. Электроны с одинаково направленными спинами стремятся удалиться друг от друга на максимально возможное расстояние.

Электронные конфигурации первых десяти элементов периодической системы представлены в табл. 1.1. Из данных таблицы очевидно, что заполнение орбитали начинается после того, как заполнены орбитали с низшей энергией (например, 2s после Is, 2р после 2s). Пара электронов не занимает орбитали до тех пор, пока орбитали равной энергии не будут заняты каждая одним электроном (например, 2/7-орбитали). ls-Электроны образуют первый двухзлектронный уровень, a 2s- и 2р-электроны — второй восьмиэлектронный уровень. Для последующих элементов существует третий уровень, содержащий Зз-эр-биталн, 3/7-орбитали и т. д.

Задача 1.1. а) Напишите электронные конфигурации восьми элементов третьего периода периодической системы, б) Какая связь между электронной конфигурацией и положением элемента в периодической системе? в) Какая связь между электронной Конфигурацией и химическими свойствами элементов?

1,7, Молекулярные орбитали

В молекулах, так же как и в изолированных атомах, электроны занимают орбитали в соответствии почти с теми же правилами. Считают, что эти молекулярные орбитали имеют в центре несколько ядер, причем, возможно, они охватывают всю молекулу; распределение ядер и электронов является обычным распределением, возникающим в наиболее устойчивой молекуле.

Чтобы можно было использовать довольно сложные математические уравнения для расчетов, обычно делают два упрощающих допущения: а) каждая пара электронов в основном локализована около двух ядер, и б) форма этих локализованных орбпталей и их расположение относительно друг друга связаны простой зависимостью с формами и расположением атомных орбиталей составляющих атомов.

Строение и сеойспа I

Идею локализованных молекулярных орбиталей (их можно также называть орбипгалями связи) нельзя назвать плохой, поскольку математически этот метод приближения удобен для большинства (хотя и не для всех) молекул. Кроме того, эта идея находится в соответствии с классической химической концепцией связи как силы, действующей между двумя атомами и достаточно независимой от остальной части молекулы; вряд ли может быть случайностью, что эта концепция удивительно хорошо работала в течение сотни лет. Важно и то, что для некоторых молекул (например, бензола, гл. 10), для которых неприменимы классические формулы, также непригоден и метод локализованных молекулярных орбиталей. (Даже эти случаи можно рассмотреть с помощью довольно простых изменений классических формул —изменений, которые аналогичны методу математического приближения.)

В следующем разделе показано, что второе допущение о взаимозависимости между атомными и молекулярными орбиталями особенно важно. Оно оказалось настолько удобным, что в ряде случаев, чтобы сохранить это допущение, были предложены атомные орбитали различных типов.

1.8. Коеалентная связь

Теперь рассмотрим образование молекулы. Для удобства можно представить этот процесс как соединение отдельных атомов, хотя в действительности большинство молекул образуется иным путем. Модели молекул обычно делают из деревянных или пластмассовых шариков, которые обозначают различные атомы; положение отверстии или зажимов показывает, как их соединять. Таким же образом можно представить воображаемые модели молекул из воображаемых атомов; положение атомных орбиталей — некоторые из них воображаемые — покажет, как соединить их вместе.

Для образования ковалентной связи необходимо, чтобы орбиталь одного атома перекрывалась с орбиталью другого; каждая орбиталь должна иметь один электрон. При этом происходит объединение двух атомных орбиталей с образованием одной орбитали связи, которая занята обоими электронами. Два электрона, занимающие орбиталь связи, должны иметь противоположные спины, т. е. должны быть спаренными. Каждый электрон находится на общей орбитали, и его можно рассматривать как принадлежащий обоим атомным ядрам.

Такое расположение электронов и ядер обладает наименьшей энергией, т. е. более устойчиво, чем расположение в изолированных атомах; в результате образование связи происходит с выделением энергии. Количество энергии (на 1 моль), выделяющееся при образовании связи (или необходимое для разрушения связи), называется энергией диссоциации связи. Для данной пары атомов, чем больше перекрывание атомных орбиталей, тем прочнее связь.

Чем же определяется прочность ковалентной связи? Увеличением электростатического притяжения. У изолированных атомов каждый электрон притягивается (и притягивает) одно положительно заряженное ядро; в молекуле каждый электрон притягивается двумя положительными ядрами.

Именно концепция «перекрывания* дает нам воображаемый мост между атомными орбиталями и орбиталями связи. Перекрывание атомных орбита-лей означает, что орбиталь связи занимает то же самое пространство, какое занимали обе атомные орбитали. Следовательно, электрон от одного атома может в какой-то степени остаться на своей собственной орбитали, благоприятной по отношению к «своему» ядру, и в то же время занять аналогичное благоприятное положение по отношению ко второму ядру; то же самое, конечно, справедливо и для другого электрона.

Принцип максимального перекрывания, впервые высказанный Лайнусом Полиигом в 1931 г. (Калифорнийский технологический институт), по своему значению для понимания структуры молекул мало уступает принципу запрета Паули.

В качестве первого примера рассмотрим образование молекулы водорода Н, из атомов водорода. Каждый водородный атом имеет один электрон» который занимает ls-орбиталь. Как уже говорилось, эта ls-орбиталь имеет форму шара с атомным ядром в центре. Для образования связи два ядра должны быть сближены настолько, чтобы могло произойти перекрывание атомных орбиталей (рис. 1.3). Для водорода система наиболее стабильна в том случае, когда расстояние между ядрами составляет 0,74 А (7,4* 10~* нм); это расстояние называется длиной связи. При этом расстоянии стабилизующий эффект перекрывания точно уравновешен отталкиванием между одинаково заряженРис. 1.3. Образование связи в молекуле водорода Н2.

а — отдельные s-орбктали; 6 — перекрывание s-орбиталсй; в и г — орбитали о-сшш.

ними ядрами.

страница 3
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136

Скачать книгу "Органическая химия" (15.87Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
купить билеты концерт him
кровать 140х200 купить недорого
wave mujin 3 g-tx
гели для глаз

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(23.10.2017)