Номер 8, страница 24 - гдз по химии 11 класс учебник Еремин, Кузьменко

Параграф 3. Химическая связь. Агрегатные состояния. Глава 1. Вещество - номер 8, страница 24.

Условие.

8. Почему атомы гелия в невозбуждённом состоянии не взаимодействуют друг с другом и не образуют между собой химическую связь?

Решение.

Решение 2.

Атомы гелия в невозбуждённом (основном) состоянии не образуют между собой химических связей из-за своей уникальной и очень стабильной электронной структуры. Это явление объясняется несколькими ключевыми принципами химии.

1. Завершённая электронная оболочка
Атом гелия (He) имеет порядковый номер 2 в периодической системе элементов. Это означает, что в его ядре находятся 2 протона, а вокруг ядра вращаются 2 электрона. В основном состоянии оба электрона гелия располагаются на первом и единственном электронном уровне, полностью заполняя его. Электронная конфигурация гелия записывается как $1s^2$.
Первый электронный слой (K-слой) может вместить максимум два электрона. Таким образом, у гелия этот слой является полностью завершённым.

2. Принцип энергетической стабильности
Химические связи (например, ковалентные или ионные) образуются потому, что атомы стремятся достичь наиболее стабильного энергетического состояния. Для большинства атомов это означает достижение завершённой внешней электронной оболочки, содержащей 8 электронов (правило октета) или, в случае ближайших к гелию элементов, 2 электрона (правило дуплета). Атомы достигают этого, отдавая, принимая или обобществляя валентные электроны с другими атомами.
Атом гелия уже обладает такой завершённой и энергетически чрезвычайно стабильной электронной оболочкой. У него нет "стимула" вступать в химическую реакцию, так как это не приведёт к понижению его общей энергии. Любая попытка отдать, принять или обобществить электрон нарушила бы эту стабильную конфигурацию и потребовала бы значительных затрат энергии.

3. Объяснение с точки зрения теории молекулярных орбиталей
Более строгое объяснение даёт теория молекулярных орбиталей (МО). Если предположить, что два атома гелия сближаются для образования молекулы $He_2$, их две атомные $1s$-орбитали объединяются в две молекулярные орбитали: одну связывающую ($\sigma_{1s}$), имеющую более низкую энергию, и одну разрыхляющую ($\sigma_{1s}^*$), имеющую более высокую энергию.
Четыре электрона (по два от каждого атома гелия) должны распределиться по этим новым молекулярным орбиталям. Согласно принципу Паули, два электрона займут связывающую орбиталь $\sigma_{1s}$, а оставшиеся два будут вынуждены занять разрыхляющую орбиталь $\sigma_{1s}^*$.
Энергетический выигрыш от заполнения связывающей орбитали полностью нивелируется энергетическим проигрышем от заполнения разрыхляющей орбитали. Порядок связи, который показывает кратность связи между атомами, рассчитывается по формуле:
$Порядок\;связи = \frac{(Число\;электронов\;на\;связывающих\;МО) - (Число\;электронов\;на\;разрыхляющих\;МО)}{2}$
Для гипотетической молекулы $He_2$ он равен:
$Порядок\;связи = \frac{2 - 2}{2} = 0$
Нулевой порядок связи означает, что образование устойчивой химической связи между атомами гелия энергетически невыгодно, и молекула $He_2$ не существует в стабильном виде.

Стоит отметить, что между атомами гелия все же существуют очень слабые силы притяжения — лондоновские дисперсионные силы (разновидность сил Ван-дер-Ваальса). Они возникают из-за кратковременных флуктуаций электронной плотности, но их энергия на порядки меньше энергии химической связи. Именно эти слабые силы позволяют гелию существовать в жидком и твёрдом состояниях при сверхнизких температурах.

Ответ: Атомы гелия в невозбуждённом состоянии не образуют химическую связь, потому что их внешняя электронная оболочка ($1s^2$) полностью заполнена. Это делает атом гелия чрезвычайно стабильным и энергетически невыгодным для участия в процессах обмена или обобществления электронов, которые лежат в основе образования химических связей.