Конфигурации с замкнутыми оболочками

 

Электронная конфигурация неона изображена на рис. 11.5. Ни один дополнительный электрон не может заселиться на вторую оболочку (орбитали с n  =2) без нарушения принципа Паули. Как будет объяснено далее, элементы He, Ne, Ar, Kr и т. п., занимающие последнюю колонку в правой части Периодической таблицы, — особые. Эти элементы называются благородными газами. Все они обладают замкнутыми (заполненными) оболочками, то есть со следующего элемента, имеющего на один электрон больше, начинают заполняться орбитали с квантовым числом n   на единицу больше, а значит, обладающие значительно более высокой энергией.

 

 

Рис. 11.5. Электронная конфигурация атома неона (Ne, 10). Вторая оболочка заполнена

 

Атомы стремятся образовывать конфигурации с замкнутыми оболочками

 

Теперь мы готовы использовать диаграмму энергетических уровней (см. рис. 11.1) и наши три правила расселения электронов по энергетическим уровням для объяснения строения Периодической таблицы и свойств элементов. В следующих главах будет подробно разбираться вопрос о том, что удерживает атомы вместе в составе молекул, однако очень многое можно понять на основе поразительно простого правила: атомы будут захватывать или отдавать электроны, стремясь к ближайшей конфигурации с заполненной оболочкой. Замкнутые электронные оболочки — это электронные конфигурации благородных газов, которые располагаются в правой колонке Периодической таблицы. Конфигурации с замкнутыми оболочками исключительно стабильны. Благородные газы, также называемые инертными, обладают заполненными оболочками и в основном химически инертны. Благородные газы с малыми атомными номерами — гелий, неон и аргон — вообще не образуют химических соединений. Благородные газы с более высокими атомными номерами в особых условиях можно заставить образовать небольшое число соединений. Атомы, отличные от благородных газов, меняются в направлении, приближающем их к образованию устойчивой замкнутой электронной оболочки.

Есть два способа, которыми атом может изменить число своих электронов, чтобы достичь замкнутости электронной оболочки. Первый способ — стать положительным ионом (катионом) или отрицательным ионом (анионом). Атом отдаёт один или больше своих электронов и становится положительно заряженным (катионом) или захватывает дополнительные электроны и становится отрицательно заряженным (анионом). Альтернативный путь для атома состоит в том, чтобы совместно использовать электроны с одним или несколькими другими атомами. Когда два или более атома объединяют электроны, это действует так, как если бы каждый атом обладал необходимыми ему электронами. Тем самым атом с меньшим числом электронов, чем требуется для образования следующий замкнутой электронной оболочки, получает нужное их число, но то же самое происходит и с другими атомами, задействованными в совместном использовании.

Когда атомы совместно используют электроны, чтобы получить такое их число, которое требуется для образования следующей замкнутой оболочки, это совместное использование удерживает атомы вместе. Совместное использование электронов приводит к тому, что энергия соединённых атомов становится ниже энергии отдельных недозаполненных оболочек. Это уменьшение энергии связывает атомы друг с другом. Такой тип химической связи называется ковалентной связью. Ковалентные связи представляют собой основной тип связи в химии. Природа ковалентной связи подробно разбирается в главе 12 на примере простейшей молекулы — водорода, а более сложные молекулы обсуждаются в последующих главах.

 

Свойства атомов

 

Переходя к обсуждению свойств атомов, основанному на Периодической таблице, начнём с водорода. Водород — это особый атом, поскольку у него лишь один электрон, и это первый элемент в Периодической таблице. В первой строке Периодической таблицы гелий имеет заполненную оболочку с двумя электронами на 1 s -орбитали. Водород может обзавестись замкнутой конфигурацией оболочки, как у гелия, позаимствовав электрон у другого атома в порядке совместного использования. Например, один атом водорода может совместно использовать электрон с другим атомом водорода, образовав молекулу водорода. Обозначение молекулы водорода H₂. Индекс указывает, сколько атомов данного типа содержится в молекуле. Благодаря совместному использованию электронов каждый из атомов водорода ощущает себя так, как если бы у него было два электрона, то есть замкнутая электронная оболочка, подобная той, что имеется у гелия.

Как мы увидим далее, водород может образовывать другие молекулы, но поскольку ему требуется лишь один электрон, чтобы получить заполненную электронную оболочку, как у гелия, он может образовывать одну химическую связь. Гелий имеет замкнутую оболочку. Он не способен образовывать какие-либо химические связи. Не существует молекул, в которые входил бы атом гелия. Почему именно так происходит, описывается в главе 12. Гелий замыкает первый период.

Следующий элемент — это литий (Li), который располагается в Периодической таблице непосредственно под H. Li может получить заполненную конфигурацию оболочки, как у гелия, отдав электрон. Поэтому Li образует положительные ионы Li¹⁺. В твёрдом виде Li является металлом. Металлы способны проводить электричество, а значит, электроны могут свободно перемещаться от одного атома к другому. Природа металлов и электропроводности будет обсуждаться в главе 19. Металлы отличаются тем свойством, что, будучи одиночными атомами, они легко могут отдать один или несколько электронов. Электрон, отданный литием, должен куда-то деться. Он перейдёт к другому атому, которому нужно получить электрон, чтобы образовать отрицательный ион. Таким образом, для образования иона Li¹⁺ литию нужен партнёр (см. обсуждение ниже, где мы добираемся до другой стороны Периодической таблицы).

Следующий элемент — это бериллий. Бериллий будет отдавать два электрона, чтобы вернуться к конфигурации гелия с замкнутой электронной оболочкой. Поэтому бериллий будет образовывать ионы с зарядом +2 (Be²⁺). Поскольку бериллий легко отдаёт электроны, твёрдый бериллий является металлом. Следующий элемент — это бор. Он может отдать электроны, чтобы вернуться к конфигурации гелия с замкнутой оболочкой. Поэтому он образует ионы с зарядом +3 и является металлом.

Дальше всё изменяется. Следующий элемент — это углерод. Ему понадобилось бы отдать четыре электрона, чтобы вернуться к конфигурации гелия, но он также мог бы присоединить четыре электрона, чтобы перейти к следующей замкнутой конфигурации оболочки, такой как у неона. Как показано на рис. 11.5, атом Ne обладает второй по счёту замкнутой электронной оболочкой. У него два электрона находятся на 1 s -орбитали, а затем оболочка с n  =2 заполнена двумя электронами на 2 s -орбиталях и шестью электронами на трёх 2 p -орбиталях. Вместо того чтобы отдавать так много электронов, возвращаясь к конфигурации гелия, атом C может двинуться вперёд — к конфигурации неона, присоединив четыре электрона путём создания четырёх ковалентных связей.

Например, метан (природный газ) имеет молекулу CH₄, в которой каждый атом H связан с центральным атомом C. Углерод совместно использует четыре электрона, по одному от каждого атома водорода, и тем самым получает замкнутую электронную конфигурацию неона. Каждый атом H использует один электрон совместно с атомом C, получая тем самым дополнительный электрон для формирования замкнутой конфигурации электронной оболочки, как у гелия. Это очень важно. За счёт ковалентных связей (совместного использования электронов) каждый атом получает замкнутую конфигурацию оболочки. Другой чрезвычайно важный факт состоит в том, что атом С всегда создаёт четыре связи, поскольку нуждается в совместном использовании четырёх электронов для достижения конфигурации неона. Этот факт играет фундаментальную роль для органической химии и биохимии, что подробно обсуждается в последующих главах.

Следующий элемент — азот. Атом N нуждается в трёх электронах, чтобы достичь конфигурации неона, поэтому он образует три ковалентные связи. Например, он может соединяться с атомами H, образуя молекулу NH₃ — аммиак. Кислороду нужно два электрона, чтобы получить замкнутую конфигурацию оболочки неона, так что он образует две связи и, например, участвует в образовании молекулы воды (H₂O). Таким образом, из этих простых соображений уже становится понятна последовательность соединений: CH₄, NH₃ и H₂O. Связи, образуемые с участием атомов C, N и O, будут обсуждаться в следующих главах, где идёт речь о молекулах, содержащих эти атомы, но они всегда образуют 4, 3 и 2 связи соответственно.

Следующий элемент — это фтор. Атом фтора лишь на один электрон отстаёт от замкнутой оболочки атома Ne. Он имеет столь сильное сродство к электрону, что склонен образовывать отрицательный ион F^1−, захватывая «лишний» электрон. Этот электрон должен откуда-то появиться, и атом F образует соединения, которые в общем случае называются солями. Например, соединение LiF имеет вид белых кристаллов. В этих кристаллах Li, которому нужно отдать электрон, чтобы достичь конфигурации гелия, передаёт электрон атому F. В результате кристалл LiF состоит из ионов Li¹⁺ и ионов F^1−. Ионы Li¹⁺ обладают замкнутой оболочкой, как у атома He, а ионы F^1− имеют замкнутую оболочку, как у атома Ne.

Кристаллы LiF, как и все соли, легко растворяются в воде. Такой кристалл скрепляется посредством электростатических взаимодействий. Положительные и отрицательные ионы притягиваются друг к другу. Они располагаются в кристалле таким образом, что притяжение между катионами и анионами превосходит отталкивание между одними катионами и другими катионами, а также между одними анионами и другими анионами. Вода может окружать как положительные, так и отрицательные ионы, причём это делает общую энергию системы (воды, окружающей катионы и анионы) ниже, чем у кристалла LiF, погружённого в воду. Это называется сольватацией. Вода сольватирует ионы, и поэтому ионные кристаллы, такие как LiF, растворяются в воде. Сольватация обсуждается в главе 15.

Атом F будет образовывать соли с атомами из левой части таблицы, которым нужно отдавать электроны, чтобы достичь замкнутой конфигурации оболочки. В молекуле LiF фтор получает электрон, а литий его отдаёт. F также может получить заполненную оболочку, такую как у неона, создав другого рода ковалентные связи. Как описывается ниже, он может соединиться с серой (S), образовав SF₂.

За фтором в Периодической таблице следует неон. Он имеет заполненную оболочку (см. рис. 11.5). Атом Ne не стремится ни присоединять, ни отдавать электроны. Он не образует химических соединений. Ne завершает вторую строку Периодической таблицы.

За неоном идёт натрий. У него на один (3 s) электрон больше, чем в конфигурации Ne. Как и Li, находящийся прямо над ним, Na будет легко отдавать электроны, образуя катион Na¹⁺. Сделав это, он получает такую же электронную конфигурацию, как у Ne. Твёрдый натрий является металлом, который проводит электричество (электроны), поскольку его 3 s -электрон слабо с ним связан. Подобно LiF, соединение NaF — это соль, которая хорошо растворима в воде.

Следующим идёт магний. Mg будет отдавать два электрона для достижения неоновой замкнутой конфигурации оболочки, образуя ионы Mg²⁺. Это металл, который проводит электричество, поскольку он легко отдаёт два своих 3 s -электрона. Он будет образовывать соли, например MgF₂. Это означает, что в кристалле содержится два аниона фтора на каждый катион магния с зарядом +2. MgF₂ хорошо растворяется в воде.

За магнием следует алюминий. Твёрдый алюминий является металлом. Алюминий образует катионы Al³⁺.

Как и в случае с углеродом во второй строке, на кремнии всё меняется. Si будет создавать четыре ковалентные связи, чтобы совместно использовать (фактически присоединять) четыре электрона, получив тем самым замкнутую конфигурацию электронной оболочки аргона (см. Периодическую таблицу). Например, кремний образует соединение SiH₄. Фосфор для достижения такой конфигурации, как у аргона, будет создавать три ковалентные связи, например PH₃, а сере потребуются две ковалентные связи для получения заполненной оболочки аргона. Она образует сероводород H₂S — ядовитый газ, обладающий очень резким запахом тухлых яиц. Как уже отмечалось, сера может также создавать ковалентные связи, образуя соединение SF₂.

За серой следует хлор. Подобно фтору, который нуждается лишь в одном электроне, чтобы сформировать замкнутую конфигурацию оболочки неона, атому Cl требуется лишь один электрон, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки аргона, так что он склонен образовывать ион Cl^1−, присоединяя лишний электрон. В Периодической таблице элементы в столбце рядом с благородными газами, то есть во второй колонке справа, образуют анионы с зарядом −1. Эти элементы (F, Cl, Br, I, At) называются галогенами. Хлор даёт нам обычную поваренную соль — хлорид натрия NaCl — кристаллы, состоящие из ионов Na¹⁺ и Cl^1−. Как и LiF, NaCl может растворяться в воде, поскольку катионы и анионы сольватируются молекулами H₂O. Это существенно отличается от поведения метана CH₄, который не растворяется в воде. Углерод и атомы водорода достигают замкнутости своих оболочек за счёт совместного использования электронов посредством образования ковалентных связей. Если молекулу метана разделить на части, оболочки атомов перестанут быть замкнутыми. В этом отличие от кристалла NaCl, который может распадаться на Na¹⁺ и Cl^1−, причём катион и анион имеют заполненные оболочки. Молекулы, содержащие только углерод и водород, из которых состоят нефть, бензин и метан, называются углеводородами. Они нерастворимы в воде. Углеводороды обсуждаются в главах 14, 15 и 16.

За Cl следует аргон (Ar), который имеет замкнутую электронную оболочку (рис. 11.6). У него 18 электронов, два из них — 1 s, два — 2 s, шесть находится на трёх 2 p -орбиталях, два — на 3 s -орбиталях и шесть — на трёх 3 p -орбиталях. Аргон — инертный газ. Он не образует химических соединений^{18}.

 

 

Рис. 11.6. Электронная конфигурация аргона (Ar, 18). Третья оболочка заполнена