Майкл Файер - Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир

Рассмотрим железо. Оно может иметь степень окисления +2 и +3, то есть образует катионы Fe 2+и Fe 3+. Образование Fe 2+легко понять. Fe может, подобно Ca, потерять два своих 4 s -электрона, приобретя степень окисления +2. Кроме того, Fe имеет шесть 3 d -электронов. В соответствии с правилом Хунда эти электроны будут оставаться по возможности неспаренными. Пять электронов могут по одному занять пять 3 d -орбиталей. Это наполовину заполненная конфигурация является частично стабильной. Железо содержит ещё один 3 d -электрон сверх этой конфигурации с наполовину заполненными 3 d -орбиталями, так что атом Fe будет легко расставаться с этим 3 d -электроном в дополнение к двум 4 s -электронам, приобретая степень окисления +3. Поэтому Fe может образовывать такие соли, как FeCl 2и FeCl 3.

Кроме того что 3 d -электроны порождают первый ряд переходных металлов, они также ответственны за ещё одно важное молекулярное явление. Как уже говорилось, кислород будет образовывать две ковалентные связи (использовать совместно с другими атомами два электрона), чтобы достичь электронной конфигурации Ne. Пример тому — молекула воды H 2O. Сера, которая расположена прямо под кислородом, образует соединение H 2S, аналогичное H 2O. Однако она также может образовывать соединение SF 6, задействуя 3 d -орбитали, которые близки по энергии к 3 p -орбиталям. У кислорода нет подобных соединений, поскольку первый набор орбиталей (3 d ) расположен значительно выше по энергии, чем 2 s - и 2 p -орбитали, которые участвуют в образовании связей у элементов второй строки Периодической таблицы.

Первая серия переходных металлов завершается, когда заполнены все 3 d -орбитали. Далее следует элемент галлий (Ga). Ga — это металл, и, подобно алюминию, он будет образовывать ионы с зарядом +3. Конфигурация, в которой 3 d -орбитали целиком заполнены, является очень устойчивой, поэтому Ga образует только катионы с зарядом +3. Стабильность заполненных 3 d -орбиталей также можно наблюдать на примере цинка. Zn образует только ионы с зарядом +2, отдавая два своих 4 s -электрона. Вслед за Ga идут германий (Ge), мышьяк (As) и селен (Se), которые обычно образуют четыре, три и две ковалентные связи соответственно, чтобы получить замкнутую конфигурацию электронной оболочки, как у криптона (Kr). Дополнительные связи у Ge, As и Se, как и у элементов, расположенных непосредственно над ними, могут создаваться за счёт 4 d -электронов, которые очень близки по энергии 4 p -орбиталям. Следующий элемент — бром — является галогеном и образует анион с зарядом −1, чтобы достичь замкнутой конфигурации оболочки криптона. И наконец, завершает строку криптон, обладающий замкнутой оболочкой.

Элементы в пятой строке Периодической таблицы следуют той же схеме, что и в четвёртой строке. В пятой строке содержится вторая серия переходных металлов. Элементы шестой и седьмой строк ведут себя подобно занимающим четвёртую и пятую строки, за исключением наличия лантаноидов (первого внутреннего ряда переходных металлов) и актиноидов (второго внутреннего ряда переходных металлов). Они появляются в результате заполнения 4 f - и 5 f -орбиталей (см. диаграмму энергетических уровней для многоэлектронных атомов на рис. 11.1). Орбитали 4 f (для лантаноидов с n =4) и 5 f (для актиноидов с n =5) геометрически гораздо меньше орбиталей 6 s и 6 p , 7 s и 7 p (с n =6 и n =7), которые заполняются в шестой и седьмой строках, поскольку у них меньше главное квантовое число n . Самые внешние электроны (с наибольшим главным квантовым числом) определяют химические свойства атомов, то есть число валентных связей, которые они могут создавать, или ионов, которые они могут образовывать. Поэтому 4 f - и 5 f -орбитали не оказывают существенного влияния на химические свойства.

Лантаноиды начинаются с лантана (La). Энергетические уровни 4 f расположены очень близко по энергии к уровням 5 d (см. рис. 11.1). La следует за барием (Ba), у которого имеется два электрона на 6 s -орбитали. У La на один электрон больше; этот электрон располагается на 5 d -орбитали. Вслед за La заполняются 4 f -орбитали. Лютеций (Lu, 71-й элемент) начинает третий ряд переходных металлов. У него два электрона на 6 s -орбитали, 14 электронов на 4 f -орбиталях и один электрон на 5 d -орбитали. По химическим свойствам все лантаноиды очень похожи на La и Lu. Аналогичным образом актиноиды начинаются с актиния (Ac). После заполнения 5 f -орбиталей 14 электронами лоуренсий (Lr, искусственно созданный 103-й элемент) начинает пятый ряд переходных металлов. Все актиноиды по химическим свойствам очень похожи на Ac и Lr.