План мероприятия наименьшей энергии, написание электронных формул).

План мероприятия
1. Проверка знаний (принцип Паули, правило Гунда, принцип
наименьшей энергии, написание электронных формул).
2. Проведение игрового упражнения. (группами по 2,3 человека
выполняют задание, делают вывод, проверка вывода, обсуждение)
Игра "Параллельный мир"
Для того, чтобы лучше понять роль "абстрактных" постулатов в окружающем
нас мире, полезно переместиться в "Параллельный мир".
Принцип простой: структура квантовых чисел немного искажается, затем на
основе их новых значений строим периодическую систему параллельного
мира. Игра будет удачной в том случае, если меняется только один параметр,
не требующий дополнительных допущений по взаимосвязи квантовых чисел
и уровней энергии.
Задача:
"Как бы выглядела периодическая система элементов, если бы
максимальное число электронов в слое определялось формулой 2n2-1, а на
внешнем уровне не могло бы быть больше семи электронов? Изобразите
таблицу такой системы для четырех первых периодов (обозначив
элементы их атомными номерами). Какие степени окисления мог бы
проявить элемент N 13? Какие свойства соответствующего простого
вещества и соединений этого элемента вы могли бы предположить?
Такая задача слишком сложна. В ответе необходимо проанализировать
несколько
сочетаний постулатов, устанавливающих значения квантовых чисел, с
постулатами о связи между этими значениями. При детальном разборе этой
задачи мы пришли к выводу, что искажения в "параллельном мире"
получаются слишком большими, и мы не можем корректно прогнозировать
свойства химических элементов этого мира.
Периодический закон и строение атома. Задача 1.
Жители новой поанеты живут в параллельном мире, имеющем следующий
набор квантовых
чисел:
n = 1, 2, 3, 4, ...
l = 0, 1, 2, ... (n – 1)
ml= 0, +1, +2,...(+l)
ms = ± 1/2
Постройте первые три периода Их периодической таблицы, сохраняя наши
названия для элементов с соответствующими номерами.
1. Чем они умываются?
2. Что пьют?
3. Напишите уравнение реакции между Их серной кислотой и гидроксидом
алюминия.
Анализ решения.
Строго говоря, нельзя изменить одно из квантовых чисел, не затрагивая
остальных.
Поэтому все описанное ниже – не истина, а учебная задача.
Искажение почти незаметно – магнитное квантовое число становится
ассимметричным. Впрочем, это означает существование в параллельном
мире
однополюсных магнитов и другие серьезные последствия. Но вернемся к
химии.
В случае s-электронов изменений не происходит (l = 0 и ml = 0).
Следовательно, водород и гелий там те же самые. Полезно вспомнить, что по
всем данным именно водород и гелий являются самыми распространенными
элементами во Вселенной. Это позволяет допустить существование
подобных параллельных миров. Однако для p- электронов картина меняется.
При l = 1 мы получаем два значения вместо трех: 0 и +1. Следовательно,
имеется только две 17 p- орбитали, на которых можно разместить 4
электрона. Длина периода уменьшилась.
Строим "клетки-стрелочки":
Построение Периодическойтаблицы параллельного мира:
Периоды, естественно, стали короче (в первом 2 элемента, во втором и
третьем – по
6 вместо 8. Очень весело воспринимаются изменившиеся роли элементов
(названия за
номерами сохраняем специально): инертные газы O и Si, щелочной металл F.
Чтобы не
запутаться, будем обозначать их элементы только символами, а наши –
словами.
Анализ вопросов задачи позволяет разобрать значение распределения
электронов на
внешнем уровне для химических свойств элемента. Первый вопрос простой –
водород = H, а кислородом становится C. Все сразу соглашаются, что без
галогенов (N, Al и т.д.)
параллельный мир не обойдется. Ответ на второй вопрос связан с решением
проблемы – почему у нас углерод является "элементом жизни" и что будет
его параллельным аналогом.
В ходе обсуждения выясняем, что такой элемент должен давать "наиболее
ковалентные"
связи с аналогами кислорода, азота, фосфора, серы. Приходится немного
пойти вперед и разобрать понятия гибридизации, основного и возбужденного
состояний. Результат такого обсуждения – аналог этилового спирта
BH2BHCH.
При этом становится очевидным, что в параллельном мире мы лишились
прямых
аналогов нашей 3-й и 5-й (или 2-й и 6-й) групп. Например, элементы 3
периода
соответствуют:
натрий магний алюминий кремний фосфор сера хлор аргон
F Ne – Na – Mg Al Si
Максимальные степени окисления: Na(+3), Mg(+4), Al(+5); однако
приоритетными
являются химические свойства и их периодическое изменение, к тому же
длина периода уменьшилась.
Тогда ответ на третий вопрос:
Серная кислота + гидроксид алюминия = сульфат алюминия + вода
H2MgC3 + Ne(CH)2 = NeMgC3 + 2 H2C
Или как вариант (прямого аналога алюминия нет):
3 H2MgC3 + 2 Na(CH)3 = Na2(MgC3)3 + 6 H2C
Главный результат описанного "путешествия в параллельный мир" –
понимание того, что бесконечное разнообразие нашего мира вытекает из не
очень большого набора относительно простых законов. Примером таких
законов являются разобранные постулаты 18 квантовой механики. Даже
небольшое изменение одного из них резко меняет свойства вещественного
мира.