ATOMSKE ORBITALE: IZ ČESA SO SESTAVLJENE IN VRSTE - KEMIJA - 2026

V orbitala so tiste regije atomom določena z valovno funkcijo za elektronov. Valovne funkcije so matematični izrazi, dobljeni z reševanjem Schrödingerjeve enačbe. Ti opisujejo energetsko stanje enega ali več elektronov v vesolju, pa tudi verjetnost, da ga najdemo.

Ta fizikalni koncept, ki ga kemiki uporabljajo za razumevanje vezi in periodične tabele, šteje, da je elektron kot val in delček hkrati. Zato se slika sončnega sistema zavrže, kjer so elektroni planeti, ki se vrtijo v orbiti okoli jedra ali sonca.

Vir: S haade, prek Wikimedia Commons

Ta zastarela vizualizacija je uporabna pri ponazoritvi ravni energije v atomu. Na primer: krog, obdan s koncentričnimi obroči, ki predstavljajo orbite, in njihovimi statičnimi elektroni. Pravzaprav je to podoba, s katero se atom uvaja otrokom in mladim.

Vendar je prava atomska zgradba preveč zapletena, da bi o njej celo imeli grobo sliko.

Če upoštevamo, da je elektron kot valovni delček in rešimo Schrödingerjevo diferencialno enačbo za atom vodika (najpreprostejši sistem vseh), smo dobili znana kvantna števila.

Te številke kažejo, da elektroni ne morejo zasedati nobenega mesta v atomu, temveč le tiste, ki izpolnjujejo diskretno in kvantizirano raven energije. Matematični izraz zgoraj je znan kot valovna funkcija.

Tako smo iz vodikovega atoma ocenili vrsto energijskih stanj, ki jih upravlja kvantno število. Ta energetska stanja smo imenovali atomske orbitale.

Toda le ti so opisovali, kje se nahaja elektron v vodikovem atomu. Za ostale atome, polielektronike, od helija naprej je bil narejen orbitalni približek. Zakaj? Ker je reševanje Schrödingerjeve enačbe za atome z dvema ali več elektroni zelo zapleteno (tudi s trenutno tehnologijo).

Kaj so atomske orbitale?

Atomske orbitale so valovne funkcije, ki so sestavljene iz dveh komponent: ene radialne in ene kotne. Ta matematični izraz je zapisan kot:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

Čeprav se na začetku morda zdi zapleteno, upoštevajte, da so kvantna števila n, l in ml navedena z majhnimi črkami. To pomeni, da te tri številke opisujejo orbito. R _nl (r), bolj znan kot radialna funkcija, je odvisen od nil; medtem ko je Y _lml (θϕ), kotna funkcija, odvisna od l in ml.

V matematični enačbi so tudi spremenljivke r, razdalja do jedra ter θ in ϕ. Rezultat vsega tega niza enačb je fizični prikaz orbitale. Kateri? Tistega, ki ga vidimo na zgornji sliki. Tam je prikazana vrsta orbitov, ki bodo razložene v naslednjih razdelkih.

Njihove oblike in oblike (ne barve) izvirajo iz risanja valovnih funkcij ter njihovih radialnih in kotnih komponent v prostoru.

Radialna valovna funkcija

Kot je razvidno iz enačbe, je R _nl (r) odvisen od n in l. Torej funkcijo radialnega vala opisujejo glavna raven energije in njeni podnapisi.

Če bi se elektron lahko fotografiral ne glede na njegovo smer, bi lahko opazili neskončno majhno točko. Nato bi lahko, na milijone fotografij, natančno določili, kako se oblak točk spreminja kot funkcija oddaljenosti do jedra.

Na ta način lahko primerjamo gostoto oblaka v daljavi in ​​blizu jedra. Če bi se enaka operacija ponovila, vendar z drugo energijsko ravenjo ali podravnom, bi se oblikoval drug oblak, ki obdaja prejšnjo. Med obema je majhen prostor, kjer se nikoli ne nahaja elektron; to je tisto, kar je znano kot radialno vozlišče.

Tudi v oblakih so območja z večjo in nižjo gostoto elektronov. Ko postanejo večje in dlje od jedra, imajo več radialnih vozlišč; poleg tega pa razdalja r, kjer se elektroni vrtijo pogosteje in je bolj verjetno, da jih bomo našli.

Kotna valovna funkcija

Ponovno je iz enačbe razvidno, da je Y _lml (θ described) opisano predvsem s kvantnima števkama l in ml. Tokrat sodeluje v magnetnem kvantnem številu, zato je določena smer elektrona v vesolju; in to smer je mogoče razbrati iz matematičnih enačb, ki vključujejo spremenljivki θ in ϕ.

Zdaj pa ne nadaljujemo s fotografiranjem, temveč snemanjem videoposnetka o progi elektrona v atomu. V nasprotju s prejšnjim poskusom ni znano, kje točno je elektron, ampak kam gre.

Ko se elektron premika, opisuje bolj definiran oblak; v resnici je sferična figura ali ena z režnjami, kot je videti na sliki. Vrsto figur in njihovo smer v prostoru opisujeta l in ml.

Obstajajo regije, blizu jedra, kjer elektroni ne prehajajo in slika izgine. Takšne regije so znane kot vogalna vozlišča.

Na primer, če pogledate prvo sferično orbito, hitro ugotovite, da je simetrična v vseh smereh; vendar to ne velja za ostale orbite, katerih oblike razkrivajo prazne prostore. Te lahko opazimo na izvoru kartezijanske ravnine in v namišljenih ravninah med režnjami.

Verjetnost iskanja elektronske in kemične vezi

Vir: Fundacija CK-12 (File: High School Chemistry.pdf, stran 265), prek Wikimedia Commons

Za določitev resnične verjetnosti, da bomo našli elektron v orbitali, moramo upoštevati dve funkciji: radialno in kotno. Zato ni dovolj, da predpostavimo kotno komponento, torej ponazorjeno obliko orbitale, ampak tudi, kako se njihova gostota elektronov spreminja glede na razdaljo od jedra.

Ker pa smeri (ml) razlikujejo eno orbitolo od druge, je praktično (čeprav morda ne povsem pravilno) upoštevati le obliko orbitale. Opis kemijske vezi se na ta način razloži s prekrivanjem teh številk.

Zgoraj je na primer primerjalna slika treh orbital: 1s, 2s in 3s. Upoštevajte njegova radialna vozlišča v notranjosti. Orbital 1s nima vozlišča, druga dva pa eno in dve vozlišči.

Ko razmišljamo o kemijski vezi, je lažje upoštevati samo sferično obliko teh orbitalov. Na ta način se orbital ns približa drugemu in na razdalji r bo elektron tvoril vez z elektronom sosednjega atoma. Od tod izhaja več teoretikov (TEV in TOM), ki pojasnjujejo to povezavo.

Kako se simbolizirajo?

Atomske orbitale so izrecno simbolizirane kot: nl _ml .

Kvantna števila imajo celoštevilčne vrednosti 0, 1, 2 itd., Vendar za simbolizacijo orbital ostane le številčna vrednost n. Medtem ko je za l, se celotno število nadomesti z ustrezno črko (s, p, d, f); in za ml spremenljivo ali matematično formulo (razen ml = 0).

Na primer, za orbito 1s: n = 1, s = 0 in ml = 0. Enako velja za vse ns orbitale (2s, 3s, 4s itd.).

Da bi simbolizirali preostale orbite, je treba obravnavati njihove tipe, vsaka s svojimi energijskimi nivoji in značilnostmi.

Vrste

Orbitale s

Kvantna števila l = 0 in ml = 0 (poleg njihovih radialnih in kotnih komponent) opisujejo orbito s sferično obliko. To je tista, ki vodi piramido orbitale začetne slike. Tudi kot je razvidno na sliki radialnih vozlišč, je mogoče pričakovati, da imajo orbite 4s, 5s in 6s tri, štiri in pet vozlišč.

Zanje je značilno, da so simetrični in njihovi elektroni doživljajo večji učinkovit jedrski naboj. To je zato, ker lahko njegovi elektroni prodrejo v notranje lupine in lebdijo zelo blizu jedra, kar na njih pozitivno privlači.

Zato obstaja verjetnost, da lahko 3s elektron prodre v orbito 2s in 1s in se približa jedru. To dejstvo pojasnjuje, zakaj je atom z sp hibridnih orbital bolj elektro (z večjo težnjo, da bi pritegnili elektronsko gostoto od njenih sosednjih atomov), kot ena z sp ³ hibridizacijo .

Tako so elektroni v s orbitali tisti, ki najbolj občutijo naboj jedra in so energetsko stabilni. Skupaj izvajajo zaščitni učinek na elektrone v drugih podravninah ali orbitalah; torej zmanjšujejo dejanski jedrski naboj Z, ki ga doživljajo najbolj oddaljeni elektroni.

Orbitale str

Vir: David Manthey preko Wikipedije

P orbitale imajo kvantna števila l = 1 in z vrednostmi ml = -1, 0, +1. Se pravi, da lahko elektron v teh orbitalah vodi v tri smeri, ki so predstavljeni kot rumeni dumbbells (glede na zgornjo sliko).

Upoštevajte, da je vsak dumbber nameščen vzdolž kartezijanske osi x, y in z. Zato je ta p orbitala, ki se nahaja na osi x, označena kot p _x ; tista na osi y, p _y ; in če kaže pravokotno na ravnino xy, torej na os z, potem je p _z .

Vse orbite so pravokotne ena na drugo, torej tvorijo kot 90 °. Prav tako kotna funkcija izgine v jedru (izvor kartezijanske osi) in obstaja le verjetnost, da najdemo elektron znotraj mešičkov (katerih gostota elektronov je odvisna od radialne funkcije).

Slab zaščitni učinek

Elektroni v teh orbitalah ne morejo prodreti v notranjo lupino tako enostavno kot s orbitali. Če primerjamo svoje oblike, se zdi, da so p orbitale bližje jedru; vendar se ns elektroni pogosteje nahajajo okoli jedra.

Kakšna je posledica zgoraj navedenega? Da np elektron doživi nižji učinkovit jedrski naboj. Poleg tega se slednji še bolj zmanjša z zaščitnim učinkom s orbitale. To na primer pojasnjuje, zakaj je atom s sp ³ hibridnimi orbitala manj elektronegativen od enega s sp ² ali sp orbitalami .

Pomembno je tudi upoštevati, da ima vsak dumbbel kotno nodalno ravnino, ne pa radialnih vozlišč (samo 2p orbitale). Se pravi, če bi ga narezali, v notranjosti ne bi bilo plasti kot pri orbitalu 2s; od orbital 3p naprej pa bi začeli opazovati radialna vozlišča.

Ta kotna vozlišča so odgovorna za najbolj zunanje elektrone, ki imajo slab učinek zaščite. Na primer, 2s elektroni ščitijo tiste v 2p orbitali bolje kot 2p elektroni ščitijo tiste v 3s orbitali.

Px, Py in Pz

Ker so vrednosti ml -1, 0 in +1, vsak predstavlja Pb, Py ali Pz orbital. Skupaj lahko sprejmejo šest elektronov (dva za vsako orbito). To dejstvo je ključno za razumevanje elektronske konfiguracije, periodične tabele in elementov, ki sestavljajo tako imenovani p-blok.

Orbitale d

Vir: avtor Hanilakkis0528, iz Wikimedia Commons

D orbitale imajo vrednosti l = 2 in ml = -2, -1, 0, +1, +2. Zato obstaja pet orbitov, ki lahko zadržijo deset elektronov skupaj. Na zgornji sliki je predstavljenih pet kotnih funkcij d orbitale.

Prvi, 3d orbitali, nimajo radialnih vozlišč, vsi drugi, razen orbital d _z2 , pa imajo dve vozlički ravnini; ne ravnine slike, saj le te prikazujejo, v katerih oseh se nahajajo oranžne mešičke z oblikami deteljinih listov. Dve vozlički ravnini sta tisti, ki sekata pravokotno na sivo ravnino.

Njihove oblike so še manj učinkovite pri zaščiti učinkovitega jedrskega naboja. Zakaj? Ker imajo več vozlišč, skozi katera lahko jedro privabi zunanje elektrone.

Zato vse d orbitale prispevajo k manj izrazitemu povečanju atomskih polmerov iz ene energijske ravni na drugo.

Orbitale f

Vir: avtor Geek3, iz Wikimedia Commons

Končno imajo f orbitale kvantna števila z vrednostmi l = 3 in ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Obstaja sedem f orbitale, za skupno štirinajst elektronov. Te orbitale so na voljo od obdobja 6, površno pa jih simbolizira kot 4f.

Vsaka kotna funkcija predstavlja reže z zapletenimi oblikami in več vozliškimi ravninami. Zato ščitijo zunanje elektrone še manj in ta pojav pojasnjuje tisto, kar je znano kot lantanidno krčenje.

Zaradi tega za težke atome ni izrazitih sprememb njihovih atomskih polmerov od ene ravni n na drugo n + 1 (na primer 6n do 7n). Do danes je orfita 5f zadnja, ki jo najdemo v naravnih ali umetnih atomih.

Glede na vse to se odpira prepad med tistim, kar je znano kot orbita in orbitala. Čeprav so si tekstualno podobni, se v resnici zelo razlikujejo.

Koncept atomske orbitale in orbitalni približek sta omogočila razlago kemijske vezi in kako lahko na tak ali drugačen način vpliva na molekularno strukturo.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja., Str. 13–8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Grey. (1965). Elektroni in kemično vezanje. WA Benjamin, Inc. New York
3. Quimitube. (sf). Atomske orbitale in kvantna števila. Pridobljeno: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Vizualizacija elektronskih orbitalov. Pridobljeno: hiperfizika.fi-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomske orbitale. Pridobljeno: chemguide.co.uk
6. Kvantne zgodbe. (26. avgust 2011). Atomske orbite, srednješolska laž. Pridobljeno: cuentos-cuanticos.com