Условие задачи
Напишите электронную формулу атома углерода в его возбужденном состоянии с помощью квантовых ячеек. Сколько неспаренных электронов находится на валентном уровне атома углерода? Сколько ковалентных связей может образовать атом углерода? Какая валентность характерна для атома углерода в его возбужденном состоянии?
Решение
Дисциплина: квантовая химия (атомная структура, электронные конфигурации).
Рассмотрим атом углерода (атомный номер 6). В основном состоянии его электронная конфигурация записывается как
1s² 2s² 2p².
Однако согласно условию, нас интересует возбужденное состояние, когда один из электронов с уровня 2s переходит на 2p, так что получаем
1s² 2s¹ 2p³.
Чтобы проиллюстрировать это «с помощью квантовых ячеек», представим орбитали в виде ячеек (прямоугольников), в которых стрелками обозначены электроны (стрелка вверх – ↑, стрелка вниз – ↓).
Ячейки для каждого подуровня:
1. Уровень 1s (заполняется полностью двумя электронами):
[ ↑ ↓ ]
2. Уровень 2s (возбужденное состояние – один электрон):
[ ↑ ]
3. Уровень 2p (есть три орбитали, в каждой по одному электрону согласно правилу Дарвина–Хунда):
[ ↑ ] [ ↑ ] [ ↑ ]
Таким образом, электронная формула атома углерода в возбужденном состоянии выглядит так:
1s: [↑ ↓]
2s: [↑]
2p: [↑] [↑] [↑]
Далее ответим на поставленные вопросы:
1. Сколько неспаренных электронов находится на валентном уровне атома углерода?
Валентным уровнем являются 2s и 2p. В 2s имеется один электрон (непарный), а в 2p – три электрона, распределённые по трём различным ячейкам, то есть все они неспарены. Всего получается 1 + 3 = 4 неспаренных электрона.
2. Сколько ковалентных связей может образовать атом углерода?
Наличие четырёх неспаренных электронов позволяет атому углерода образовывать до 4 ковалентных связей (как, например, в молекуле метана CH₄).
3. Какая валентность характерна для атома углерода в его возбужденном состоянии?
В таком состоянии валентность равна 4.
Таким образом, подробное решение задачи приводит нас к следующим ответам:
• Электронная формула атома углерода в возбужденном состоянии (с квантовыми ячейками):
1s: [↑ ↓] 2s: [↑] 2p: [↑] [↑] [↑]
• Число неспаренных электронов на валентном уровне: 4.
• Возможное число ковалентных связей: 4.
• Характерная валентность: 4.