Лекции лекция Строение атома и Периодический закон. Химическая связь

Дополнение 2 к лекции 7 
 
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. 
Впервые подобная задача-игра была предложена школьникам на Всесоюзной 
олимпиаде в 1969 году (9 класс): 
"Как бы выглядела периодическая система элементов, если бы максимальное число 
электронов в слое определялось формулой 2n
2
-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. 
Мы в СУНЦ МГУ обычно используем более простую и наглядную задачу, в которой 
квантовые числа "параллельного мира" почти не отличаются от наших. В этом 
параллельном мире живут аналоги людей – хомозоиды. 
 
Периодический закон и строение атома. Задача 1. 
Хомозоиды живут в параллельном мире, имеющем следующий набор квантовых 
чисел: 
n = 1, 2, 3, 4, ... 
l = 0, 1, 2, ... (n – 1) 
m
l
= 0, +1, +2,...(+l) 
m
s
= 
± 1/2 
Постройте первые три периода Их периодической таблицы, сохраняя наши названия для 
элементов с соответствующими номерами. 
1. 
Чем умываются хомозоиды? 
2. 
Чем напиваются хомозоиды? 
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 m
l
= 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 Периодической таблицы 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 BH
2
BHCH. 
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 
H
2
MgC
3
+ Ne(CH)
2
= NeMgC
3
+ 2 H
2
C 
Или как вариант (прямого аналога алюминия нет): 
3 
H
2
MgC
3
+ 2 Na(CH)
3
= Na
2
(MgC
3
)
3
+ 6 H
2
C 
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.