Объясните, пожалуйста, правило 18 электронов

[kciray]

Я читал про правило октетов, по которому атомы при заполнении валентной оболочки 8 электронами становятся химически не активными.

Но это правило не действует на элементы 4 периода и далее, т.к. там в ряду их больше 8.

В вики написано, что правило октетов преобразуется в правило 18 электронов при участии d-орбиталей. Но в чём оно заключается? Например, как узнать валентность серебра (Ag)?

[Gall]

Лучше вообще забыть про эти правила и считать электроны просто на оболочках.

 

Активность определяется (не)заполненностью внешней оболочки. Валентность - количество электронов, необходимых для ее полного заполнения (или опустошения). В зависимости от того, что легче - дополнить оболочку или опустошить, элемент более склонен быть окислителем или восстановителем соответственно.

 

Оболочки s (два электрона) и p (6 электронов) заполняются просто и примитивно - сначала s, потом p. Помним вот это:

1s

2s 2p

3s 3p 3d

4s 4p 4d 4f

5s 5p 5d 5f 5g

Сначала заполняется s-оболочка, и действует правило двух электронов. Оно верно только для двух элементов, водорода и гелия, поэтому неинтересно. Дальше начинают работать s и p, на них 2+6=8 электронов. Это и есть правило 8 электронов. А дальше идет маленькая аномалия. Оболочка d заполняется позже, чем следующая за ней s (и иногда даже одновременно с ней). Поэтому за аргоном идет снова щелочной металл - калий, вместо 3d заполняется 4s. Когда 4s заполняется, "вспоминаем", что у нас 3d незаполненная, и бросаемся заполнять ее - так получаются скандий, титан, ... никель. На меди снова аномалия - вместо s²d⁹ имеем s¹d¹⁰, один электрон с s спрыгивает на d. Поскольку внешняя оболочка у нас s, получается вроде как одновалентный металл. (У серебра - так же). А после цинка все снова входит в норму - у галлия уже заполняется p, как и положено.

 

На d 10 электронов. В сумме s+p+d=18.

 

Аналогичная ситуация повторяется, когда начинает заполняться f - лантаноиды, актиноиды. Но это уже другая история.

[As1d]

Активность определяется (не)заполненностью внешней оболочки. Валентность - количество электронов, необходимых для ее полного заполнения (или опустошения). В зависимости от того, что легче - дополнить оболочку или опустошить, элемент более склонен быть окислителем или восстановителем соответственно.

 

В первом приближении стоит учитывать еще и радиус атома, иначе: Be и Сa к примеру, должны иметь весьма и весьма схожие свойства.

 

Что касается заполнения оболочек - выучите правило Кличковского, или банальную квантовую механику, я предпочитаю второй вариант.

 

n - Главное квантовое число, = номеру периода, характерезует энергию(соответственно n>=1 всегда) и номер уровня валентных орбиталей(все орбитали, которые ниже по энергии чем n заполнены полностью).

l - Орбитальное кв. ч. Принимает значения от 0 до n-1, характеризует вид электронного облака: l=0, - S; l=1, - P; l=2 - D; l=3 - F; l=4 - G; и так далее.

Ml -Магнитное кв. ч. Принимает все значения от -l до l через еденицу.(К примеру l=2, Ml принимает значения -2, -1, 0, 1, 2) Характеризует расположение орбитале в пространстве.

Ms -Спиновое кв. ч. Принимает два значения: +1/2 и -1/2. Характеризует "правостороннее или левостороннее вращение" электрона вокруг собственной оси.

 

Система(атом) стремится к минимуму энергии, что обуславливает ее устойчивость.

На одной орбирали максимум два электрона, поличество орбиталей в подуровне = 2l+1 или количеству значений Ml

Энергия атомной орбитали = n+l, а электроны заполняют орбитали с максимальным значением спинового числа, и сначала заполняют подуровни с минимальной энергией.

Добавим принцип Паули - на одной атомной орбитали не могут находится два электрона с одинаковым набором всех квантовых чисел.

Отметим, что атом устойчивей, если его валентный подуровень заполнен полностью или на половину, а устойчивый потомучто таким образом достигается минимум энергии.

 

Примеры:

 

С - углерод, n=2; l=0,1; 6 электронов. Значит, что с n=1 оболочка полностью заполнена, l=0, значит S орбиталь причем одна(2*0+1) Заполнение идет сл. образом: nl^num, где num - кол-во электронов.

 

1S² - n=1, l=0, num=2, так как на 1 орбитали макс. 2 электрона с противоположными спинами, а орбиталь заполнена полнотсью. Больше на n=1 подуровне орбиталей нет.(l=0)

 

n=2, l=0,1 = S и P орбитали. Причем если S(l=0, 2l+1=1) всего одна, то количество P орбиталей целых 3. (l=1, 2l+1 = 3) На одну орбиталь поместится 2 электрона, а на 3 орбитали - 6 электронов, тогда заполняем. 2S² 2P² . И поместилось бы шесть, да только электронов не хватило. Поэтому на двух P орбиталях по 1 электрону, т.к. орбитали заполняются сначала с максимальным спином, то есть на двух орбиталях по 1 электрону со спинами +1/2.

 

Sc : 4 период, 21 электрон. n=4, l=0,1,2,3 - означает, что на уровне=4 возможны S, P, D и F орбитали.

Орбитали с n<4 полностью заполнены, кроме 3D орбитали. Почему? Очень просто: посчитаем энергию 3D орбитали = n+l(n=3,D орбиталь значит l=2) = 3+2 = 5. Посчитаем энергию 4P орбитали = 4+1=5! Тоже пять. Если энергия двух орбиталей совпадает, то сначало будет заполнятся орбиталь с наименьшим n, то есть 3D. Таким образом после орбитали 4S(энергия = 4+0 = 4) будет заполнятся 3D, и только после нее 4P. - Заполняем.

1S²2S²2P⁶3S²3P⁶4S²3D¹(помним, что P орбиталей всегда три, и все три в сумме умещают 6 электронов) Нетрудно догадаться, что D орбиталей аж целых 5, и поместятся на них 10 электронов, но у нас кончились электроны для заполнения, поэтому на одной D орбитали всего один электрон. Вы спросите, а как же F орбиталь? Есть же значение l=3! F орбиталь присутствует, только на ней электронов нет, как присутствует и 4P и 4D орбиталь, просто мы их не пишем, ведь на них сейчас нет электронов.

 

Кстати, если электронов нехватает, чтобы заполнить полностью D орбитали, но хотябы один электрон заполнил D, то эти D орбитали так же являются валентными(c F та же история). То есть у скандия максимальная валентность будет складываться из суммы электронов на 4S и 3D орбиталях и составит 2+1 = 3.

 

Cr n=4 l=0,1,2,3 24 электрона

нижние оболочки как и у Sc:

1S²2S²2P⁶3S²3P⁶ в сумме потрачено 18 электронов на их заполнение, осталось 6 электронов. Заполняем валентный уровень n=4.

4S²(дальше, как мы уже знаем, идет 3D) 3D⁴. И тут происходит нечто. Как я уже говорил, атом стремится к минимуму энергии, а достичь этого можно, если бы был еще один электрон на 3D орбитали. Тогда на 3D орбитали было бы 5 электронов, а это как-раз половина. Поэтому в атоме хрома один электрон с 4S орбитали переходит на 3D орбиталь. Окончательно орбитали хрома выглядят так:

1S²2S²2P⁶3S²3P⁶4S¹3D⁵

Максимальная валентность хрома = 1+5 = 6

Такие вот хитрые атомы. У F элементов есть еще некоторые тонкости, но обычно для школы и начала первого курса хватает S-D элементов.

 

Вот еще картинки заполнения рассмотренных атомов.

Изменено 24 Января, 2012 в 10:04 пользователем As1d

[Gall]

Сложно. Хотя и очень правильно. Не люблю так объяснять - люди, могущие осилить такие вещи, могут их обдумать и самостоятельно, а потому спрашивать не будут.

 

Вообще, само существование химии - большое везение. В квантовой механике есть уравнение Шредингера (и более точные уравнения - например, Дирака). Их решение - волновые функции - математически очень неприятное, выражается через спецфункции. Выражение для уровней энергии тоже сложное. Но чудесным образом оказывается, что энергии уровней упорядочены неожиданно просто. Не совсем тупо, как могло бы быть - сначала все s, потом все p, потом все d - нет, немного сложнее, с небольшими нарушениями порядка, но тем не менее не нужно решать никакие сложные уравнения, чтобы этот порядок назвать. И еще одно почти чудо - уровни оказываются достаточно далеко друг от друга, чтобы их можно было разделить на внутренние и внешние, и первыми почти пренебречь. Благодаря этому о свойствах веществ можно судить в основном лишь по внешней оболочке, можно ввести понятия "валентность" и "степень окисления", "радиус атома". Тем самым вместо возни со сложной математикой (уравнением Дирака) мы можем "на пальцах" считать электроны и располагать элементы в периодической системе, и мы почти всегда сможем довольно точно назвать и свойства веществ, и реакции, даже если молекула очень-очень сложна (как, например, белок). Наука о замене точного решения (слишком сложного для практики) уравнения Дирака на множество простых (и практически ценных) правил - и есть химия.

Изменено 24 Января, 2012 в 10:22 пользователем Gall

[As1d]

Gall, согласен, однако я помню, как все стало просто, когда мы в 11м классе прошли этот кратенький курс квантовой, ой, а на 1м курсе то какая лафа была)

[Jarro]

У мя ещё вопрос:

В базовом курсе общей химии Глинки поясняется об ксеноновых кислотах.

Как они (инертные, преимущественно последних периодов газы) образуют соединения ?

[chebyrashka]

дак не все благородные газы образуют соединения. 3 верхних не образуют, по-моему. У остальных достаточно большой радиус. Там ясно дело через фториды получают соединения.

[Gall]

Если очень-очень сильным полем (например, полем незаполненной оболочки атома фтора) действовать на электроны "инертного" газа, не слишком сильно связанные с ядром, да еще помочь благоприятными внешними условиями, можно добиться того, что даже заполненная оболочка все-таки сцепится с электронами другого атома. Это что-то вроде "недоионизации", когда электрон из оболочки еще не вырван, но сама оболочка уже перекошена настолько, чтобы ее свойства изменились и стали напоминать свойства незаполненной. Работает только для тяжелых инертных газов вроде ксенона, у которых влияние собственного ядра на внешнюю оболочку относительно легко пересилить.

 

Другой частный случай - когда оболочку искусственно делают незаполненной, ионизируя газ. Так получаются эксимеры. В такие соединения может вступать даже гелий, и не обязательно со фтором - например, эксимер LiHe.

Изменено 24 Января, 2012 в 13:19 пользователем Gall

[kciray]

Спасибо всем за ответы, буду разбираться)