19. Строение атома и химическая связь

3.1. Электронное строение атома

3.1.1. Современная модель атома

Атом – это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и движущихся в его поле отрицательно заряженных электронов (обозначаются е). Заряд ядра (Z), равный числу протонов в нем, определяет число е в атоме элемента, а значит, его химическую индивидуальность, поэтому элементом называют вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Современной атомной моделью является квантово-химическое описание состояний электронов в атоме, которое основано на следующих положениях:

I. Квантование энергии излучения. Причина квантования ‑ наличие строго определенных состояний е в атоме. Разность энергий этих состояний равна кванту энергии, излучаемой (поглощаемой) при переходе е из одного состояния в другое.

II. Принцип неопределенности Гейзенберга. В квантовой химии не определяют траекторию движения е, а лишь рассчитывают вероятность его нахождения в той или иной точке пространства вокруг ядра, т.е. используют вероятностный (статистический) метод описания.

III. Двойственная природа электрона. Хотя е имеет заряд и ненулевую массу покоя, т.е. проявляет свойства корпускулы (материальной частицы), но обладает и явно выраженными волновыми свойствами.

Чтобы отразить волновой характер движения е в атоме, Шредингер в 1926 г. предложил для описания его состояния использовать уравнение сферической стоячей волны, которое отражает периодические изменения трехмерной волновой функции е в пространстве атома. Уравнение Шредингера¹⁶связывает волновые свойства электрона () и его энергетические характеристики (E), поэтому коротко может быть записано следующим образом:, где– оператор Гамильтона, который, в частности, показывает, что состояниее в атоме описывается дифференциальным уравнением (производными 2-го порядка по всем осям координат).Результатом решения являются, в частности, значениятрех параметров, т.н. квантовых чисел: главного, орбитального и магнитного (см. раздел 3.1.2). Причем условия решения уравнения Шредингера (вытекающие из условий существования е в атоме) определяют целочисленность значений указанных параметров.

Волновая функция , заданная тремя квантовыми числами и будетатомной орбиталью (АО). Ею называют также часть пространства вокруг ядра, в котором с 90%-ной вероятностью можно обнаружить электрон.

Вероятность нахождения е в том или ином элементарном объеме пространства () называетсяэлектронной плотностью данного объема и равна . Здесь– это объем, заключенный между двумя сферами, имеющими общий центр (в котором находится ядро атома), причем радиусы сфер (R₁ и R₂) различаются между собой на величину dR; а – этоплотность вероятности нахождения е в атоме на расстоянии (R₁+dR/2) от ядра [2].

Для любой АО электронная плотность (произведениена) в центре атома равна нулю (ибо= 0). По мере же увеличения расстояния от ядрарастет от нуля домаксимального своего значения (из-за роста dV), а затем снижается (как результат уменьшения ), асимптотически приближаясь снова к нулю.

20. Общая характеристика

Все основные свойства металлов (М): блеск, пластичность, электропроводность и непрозрачность, – обеспечиваются присутствием в их решетке относительно свободных электронов.

Наиболее заметное свойство М – это характерный т.н. металлический блеск; он обусловлен способностью М отражать свет, не рассеивая его¹⁷. Другим свойством М являетсяпластичность, т.е. под ударом молота они не дробятся на куски, как, например, алмаз, а лишь расплющиваются.

Хотя все металлы проводят ток, но в разной степени. Наименьшую электропроводность (l) среди М имеет ртуть (ее l принята за единицу), а наибольшую – серебро (l=59). Это значит, что проводимость Ag в 59 раз выше, чем у Hg. Золото же, хотя и является самым пластичным металлом, но по электропроводности (l=40) уступает даже меди (l=57).

Если же сравнивать М по восстановительным свойствам в водной среде, т.е. по значению Е⁰, то наиболее металлическим окажется литий – именно он возглавляет ряд напряжений М.

Таким образом, абсолютного чемпиона по металличности нет. Кроме того, следует различать понятия «металл» как элемент и «металл» как вещество.

Первое зависит от положения Э в таблице Д.И. Менделеева. И чем левее и ниже он расположен (т.е. чем больше его атомный радиус), тем, как правило, более металлическими свойствами обладает элемент. В частности, тем легче отнять электрон у атома Э и тем с меньшим «желанием» его атом присоединяет е, а значит, тем ниже электроотрицательность элемента. И поскольку цезий обладает наименьшим значением ЭО (0, 70), то он и является самым металлическим Э.

Напоминаем, что к металлам относят элементы, имеющие ЭО менее 1.8. Это все s-, d- и f-Э, а также p-элементы, лежащие ниже диагонали, проходящей в периодической таблице через водород, бериллий, алюминий, германий, сурьму и полоний¹⁸. ПричемBe, Al и Po тоже относят к М, которых таким образом насчитывается 92 из 116 элементов, открытых на сегодняшний день.Еще больше металлов-веществ. Ибо к ним относят не только простые соединения, которые обычно образованы металлами-элементами (Fe, Al, Na и т.п.), но и многие сложные вещества. Например, один из образцов алхимического «золота» состава Hg_2,86AsF₆ (действительно имеющего золотистый цвет) проводит ток, как и М.

Кроме того, даже типичные неметаллы: фосфор, сера и др. при сверхвысоком давлении становятся М. В частности, под давлением 3 млн. атм. металлизируется даже Н₂. Это происходит потому, что под таким давлением увеличивается плотность упаковки атомов в решетке вещества, т.е. растет к.ч. элемента, а следовательно, число химических связей каждого атома с другими. Как результат, сами связи ослабевают. А это значит, что электроны менее прочно удерживаются на осях ХС, т.о. становясь свободнее. Вследствие чего и возникает металличность.

И наоборот: разрыхление структуры (из-за снижения к.ч. элемента) приводит к потере имевшихся металлических свойств.

Итак, металличность элемента – это свойство (раз и навсегда данное), а металличность вещества – это его состояние, которое зависит от условий.

Типичные М разделяют на легкие, если их удельная плотность ниже 5 г/см³ (самый легкий – литий (0,53 г/см³)), и тяжелые (например, осмий (22,5 г/см³)); а также на легкоплавкие, если т.пл. ниже 1000⁰С (минимальная – у ртути (-34⁰С)) и тугоплавкие (максимальную т.пл. имеет вольфрам (3420⁰С)).

7.2. s-Металлы и их соединения

7.2.1. Общая характеристика. Нахождение в природе.

К s-элементам относятся щелочные (ЩМ) и щелочноземельные металлы (ЩЗМ), т.е. Э главных подгрупп I и II групп, имеющие конфигурацию s¹ и s² соответственно.

Поэтому ЩМ в соединениях проявляют только ст.ок.+1, а ЩЗМ –+2. И лишь в этих степенях окисления они находятся в природе в виде солей. Это галиды, сульфаты, нитраты, фосфаты, карбонаты, силикаты (например, тальк 3MgO^.4SiO₂^.H₂O или асбест CaO^.3MgO^.4SiO₂), алюмосиликаты и др.

В частности, бериллий образует алюмосиликаты состава Be₃Al₂(SiO₃)₆, которые являются драгоценными камнями. (Из-за примесей они окрашены в разные цвета: зеленые изумруды, синие аквамарины, фиолетовые александриты и др.)

Больше всего на Земле (из Э данных групп) натрия (2,4%), кальция, магния (по 2%) и калия (1,4%) – они входят в восьмерку самых распространенных. Кларк других – 10^-2 -10^-3%, а цезия (10^-8%), тем более Fr и Ra, значительно ниже.

Основным свойством s-элементов является минимальная прочность связи ядра с валентными е (среди Э каждого данного периода), особенно в случае ЩМ. Это объясняется тем, что при переходе к металлам 1А подгруппы (от соответствующего БЭ) начинается заполнение электронами нового уровня, поэтому атомный радиус резко возрастает. У ЩЗМ он немного меньше, чем у ЩМ (из-за более высокого заряда ядра), но все еще достаточно большой.

Как результат, s-элементы наиболее легко отдают электроны другим Э, а значит, образуют самые ионные соединения, и следовательно, наиболее растворимы в воде. Вот почему многие соли s-металлов входят в состав гидросферы.

Например, в морской воде – 0,38% хлорида магния, 2,5% хлорида натрия, а солей калия в 40 раз меньше. Зато в земле наоборот содержание K⁺ значительно больше, чем . Причина в том, что многие алюмосиликаты (в частности глина)прочнее удерживают в себе более крупные (по сравнению с ) ионы калия, которые и накапливаются в почве при просачивании через нее природных вод. Благодаря этому К⁺ становится доступным растениям – им он нужен для плодоношения.

В живых организмах больше ионов натрия (их массовая доля в крови человека составляет 0,6%, в мышцах – 1,5%), но и К⁺ необходим. Нужны организму также и. Они находятся в крови и в костной ткани (80% массы которой составляет Са₃(РО₄)₂). Напротив, Ве²⁺ и Ва²⁺ являются для организма ядами.