1. 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 кван­тоой 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 числоm_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

2. Принцип Паули

Рис. 4. В. Паули (1900-1958)

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.

Рис. 5. Элек­трон­ное стро­е­ние атома уг­ле­ро­да

3. 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.

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.

4. 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

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.