ATOMINĖS ORBITALĖS: KAS JAS SUDARO IR TIPAI - CHEMIJA - 2025

Kad orbitalė yra tie regionai atomu, kuris yra išreikštas bangų funkcija elektronų. Bangos funkcijos yra matematinės išraiškos, gautos išsprendus Schrödingerio lygtį. Jie apibūdina vieno ar kelių elektronų energijos būseną kosmose, taip pat jų radimo tikimybę.

Ši fizikinė koncepcija, kurią chemikai taiko, kad suprastų ryšį ir periodinę lentelę, elektroną laiko banga ir dalele tuo pačiu metu. Todėl Saulės sistemos vaizdas yra atmetamas, kai elektronai yra planetos, besisukančios orbitose aplink branduolį ar saulę.

Šaltinis: „Haade“, per „Wikimedia Commons“

Ši pasenusi vizualizacija yra naudinga iliustruojant atomo energijos lygius. Pvz .: apskritimas, apjuostas koncentriniais žiedais, vaizduojančiais orbitas, ir jų statiniai elektronai. Iš tikrųjų tai yra įvaizdis, su kuriuo atomas supažindinamas su vaikais ir jaunimu.

Tačiau tikroji atominė struktūra yra per daug sudėtinga, kad net negalėtume apie ją susidaryti.

Atsižvelgiant į elektroną kaip bangos dalelę ir išsprendus vandenilio atomo (paprasčiausios sistemos) Schrödingerio diferencialinę lygtį, buvo gauti garsieji kvantiniai skaičiai.

Šie skaičiai rodo, kad elektronai negali užimti jokios atomo vietos, bet tik tie, kurie paklūsta diskrečiam ir kiekybiniam energijos lygiui. Matematinė išraiška yra žinoma kaip bangos funkcija.

Taigi iš vandenilio atomo buvo įvertinta energetinių būsenų, valdomų pagal kvantinius skaičius, serija. Šios energijos būsenos buvo vadinamos atominėmis orbitalėmis.

Bet tai tik aprašė elektrono buvimą vandenilio atome. Kitiems atomams, polioelektronikai, pradedant nuo helio, buvo atliktas orbitalinis apytikslis vertinimas. Kodėl? Nes išspręsti atomų su dviem ar daugiau elektronų Schrödingerio lygtį yra labai sudėtinga (net ir naudojant dabartinę technologiją).

Kas yra atominės orbitalės?

Atominės orbitalės yra bangų funkcijos, kurias sudaro du komponentai: vienas radialinis ir vienas kampinis. Ši matematinė išraiška parašyta taip:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

Nors iš pradžių gali pasirodyti sudėtinga, atkreipkite dėmesį, kad kvantiniai skaičiai n, l ir ml yra nurodyti mažomis raidėmis. Tai reiškia, kad šie trys skaičiai apibūdina orbitalę. R _nl (r), geriau žinomas kaip radialinė funkcija, priklauso nuo nyl; tuo tarpu Y _lml (θϕ) kampinė funkcija priklauso nuo l ir ml.

Matematinėje lygtyje taip pat yra kintamieji r, atstumas iki branduolio ir θ bei ϕ. Visų šio lygčių rinkinio rezultatas yra fizinis orbitų vaizdas. Kuris? Tas, kuris matomas aukščiau esančiame paveikslėlyje. Čia parodyta daugybė orbitų, kurios bus paaiškintos tolesniuose skyriuose.

Jų formos ir dizainas (ne spalvos) gaunami grafiškai apibūdinant bangos funkcijas ir jų radialinius bei kampinius komponentus erdvėje.

Radialinių bangų funkcija

Kaip matyti iš lygties, R _nl (r) priklauso ir nuo n, ir nuo l. Taigi radialinių bangų funkciją apibūdina pagrindinis energijos lygis ir jo pakopos.

Jei elektroną būtų galima fotografuoti nepriklausomai nuo jo krypties, galima būtų pastebėti be galo mažą tašką. Tuomet, darydamas milijonus nuotraukų, gali būti išsamiai paaiškinta, kaip keičiasi taškinis debesis kaip atstumo iki šerdies funkcija.

Tokiu būdu galima palyginti debesies tankį tolumoje ir šalia šerdies. Jei ta pati operacija būtų kartojama, tačiau turint kitą energijos lygį ar papildomą lygį, susidarytų kitas debesis, uždengiantis ankstesnįjį. Tarp dviejų yra maža erdvė, kurioje niekada nėra elektrono; tai yra tai, kas vadinama radialiniu mazgu.

Taip pat debesyse yra regionų, kuriuose yra didesnis ir mažesnis elektronų tankis. Kuo didesni ir tolimesni nuo branduolio, jie turi daugiau radialinių mazgų; be to, atstumas r, kuriame elektronas sukasi dažniau ir yra didesnė tikimybė, kad jis bus rastas.

Kampo bangos funkcija

Vėlgi, iš lygties yra žinoma, kad Y _lml (θϕ) daugiausia apibūdinamas kvantiniais skaičiais l ir ml. Šį kartą jis dalyvauja magnetiniame kvantiniame skaičiuje, todėl yra apibrėžta elektrono kryptis erdvėje; ir šią kryptį galima nubraižyti iš matematinių lygčių, apimančių kintamuosius θ ir ϕ.

Dabar mes nefotografuojame, o įrašome vaizdo įrašą apie elektrono atomo trajektoriją. Priešingai nei ankstesniame eksperimente, tiksliai nežinoma, kur yra elektronas, bet kur jis eina.

Elektronui judant, jis apibūdina labiau apibrėžtą debesį; iš tikrųjų sferinė figūra arba skiautėmis panaši į matomas paveikslėlyje. Figūrų rūšis ir jų kryptis erdvėje apibūdintos l ir ml.

Arti branduolio yra regionai, kur elektronai neperduodami, o figūra išnyksta. Tokie regionai yra žinomi kaip kampiniai mazgai.

Pvz., Jei pažvelgsite į pirmąją sferinę orbitalę, greitai padarysite išvadą, kad ji yra simetriška visomis kryptimis; tačiau taip nėra su kitais orbitais, kurių formos atskleidžia tuščias erdves. Tai galima pastebėti Dekarto plokštumos ištakose ir įsivaizduojamose plokštumose tarp skilčių.

Tikimybė rasti elektroną ir cheminį ryšį

Šaltinis: „CK-12 Foundation“ (Failas: „High School Chemistry.pdf“, 265 psl.), Per „Wikimedia Commons“

Norint nustatyti tikrąją elektrono radimo tikimybę orbitalėje, reikia atsižvelgti į dvi funkcijas: radialinę ir kampinę. Todėl nepakanka manyti, kad kampinis komponentas, tai yra, iliustruota orbitų forma, bet ir tai, kaip keičiasi jų elektronų tankis atsižvelgiant į atstumą nuo branduolio.

Kadangi kryptys (ml) atskiria vieną orbitalę nuo kitos, praktiška (nors galbūt ir ne visai teisinga) atsižvelgti tik į orbitos formą. Tokiu būdu cheminės jungties aprašymas paaiškinamas šių skaičių sutapimu.

Pvz., Aukščiau yra trijų orbitų palyginamasis vaizdas: 1s, 2s ir 3s. Atkreipkite dėmesį į jo radialinius mazgus viduje. 1s orbitalė neturi mazgo, o kiti du turi vieną ir du mazgus.

Kai svarstoma cheminė jungtis, lengviau atsiminti tik šių orbitalių sferinę formą. Tokiu būdu ns orbita artėja prie kito, o per atstumą r elektronas sudarys ryšį su gretimo atomo elektronu. Iš čia kyla keli teoretikai (TEV ir TOM), kurie paaiškina šią sąsają.

Kaip jie simbolizuojami?

Atominės orbitalės aiškiai simbolizuojamos taip: nl _ml .

Kvantiniai skaičiai reiškia sveikas skaičius 0, 1, 2 ir tt, bet norint simbolizuoti orbitalės, liko tik skaitinė reikšmė n. L raidės atžvilgiu visas skaičius pakeičiamas atitinkama raide (raidėmis, p, d, f); ir ml - kintama arba matematinė formulė (išskyrus ml = 0).

Pvz., 1s orbitale: n = 1, s = 0 ir ml = 0. Tas pats pasakytina ir apie visus ns orbitus (2s, 3s, 4s ir tt).

Norint simbolizuoti likusius orbitus, būtina atkreipti dėmesį į jų tipus, kiekvienam būdingus su savo energijos lygiais ir charakteristikomis.

Tipai

Orbitalės s

Kvantiniai skaičiai l = 0 ir ml = 0 (be jų radialinių ir kampinių komponentų) apibūdina rutulio formos orbitalę. Tai yra tas, kuris vadovauja pradinio vaizdo orbitų piramidėms. Taip pat, kaip matyti iš radialinių mazgų vaizdo, galima tikėtis, kad 4s, 5s ir 6s orbitalės turi tris, keturis ir penkis mazgus.

Jie pasižymi simetriškumu ir jų elektronai patiria didesnį efektyvųjį branduolinį krūvį. Taip yra todėl, kad jo elektronai gali prasiskverbti į vidinius apvalkalus ir pasislinkti labai arti branduolio, o tai juos teigiamai traukia.

Todėl yra tikimybė, kad 3s elektronas gali prasiskverbti į 2s ir 1s orbitą, artėdamas prie branduolio. Šis faktas paaiškina, kodėl atomas su sp hibridinėmis orbitalėmis yra labiau elektroneigiamas (labiau linkęs pritraukti elektroninį tankį iš kaimyninių atomų) nei tas, kuriame yra sp ³ hibridizacija .

Taigi, elektronai s orbitose yra tie, kurie labiausiai patiria branduolio krūvį ir yra energetiškai stabilesni. Kartu jie sukuria ekrano efektą elektronams kituose pakopose ar orbitalėse; tai yra, jie sumažina tikrąjį branduolinį krūvį Z, kurį patiria atokiausi elektronai.

Orbitalės p

Šaltinis: Davidas Manthey per Vikipediją

P orbitalės turi kvantinius skaičius l = 1, o reikšmės ml = -1, 0, +1. T. y., Elektronas šiose orbitose gali pasisukti trimis kryptimis, kurios pavaizduotos kaip geltoni hanteliai (pagal aukščiau pateiktą paveikslėlį).

Atminkite, kad kiekvienas hantelis yra išilgai Dekarto x, y ir z ašių. Todėl ta p orbitalė, esanti x ašyje, žymima kaip p _x ; tas, kuris yra y, p _y ašyje ; ir jei jis nukreiptas statmenai xy plokštumai, tai yra, z ašiai, tai yra p _z .

Visos orbitalės yra statmenos viena kitai, tai yra, jos sudaro 90º kampą. Taip pat branduolyje išnyksta kampinė funkcija (Dekarto ašies kilmė) ir yra tik tikimybė, kad skiltyje yra elektronas (kurio elektronų tankis priklauso nuo radialinės funkcijos).

Prastas ekrano efektas

Šiuose orbitalėse esantys elektronai negali prasiskverbti pro vidinius apvalkalus taip lengvai, kaip ir į orbitas. Palyginus jų formas, p orbitalės atrodo arčiau branduolio; tačiau ns elektronai dažniau randami aplink branduolį.

Kokia to pasekmė? Kad np elektronas patiria mažesnį efektyvųjį branduolinį krūvį. Be to, pastarąjį dar labiau sumažina ekranų ekranų efektas. Tai paaiškina, pavyzdžiui, kodėl atomas su sp ³ hibridinėmis orbitalėmis yra mažiau elektronegatyvus nei tas, kuriame yra sp ² arba sp orbitalės .

Taip pat svarbu pažymėti, kad kiekvienas hantelis turi kampinę mazgo plokštumą, bet neturi radialinių mazgų (tik 2p orbitalės). T. y., Jei jis būtų pjaustomas, viduje nebūtų sluoksnių, kaip ir 2s orbitalėje; bet nuo 3p orbitalės pradžios būtų stebimi radialiniai mazgai.

Šie kampiniai mazgai yra atsakingi už tolimiausius elektronus, turinčius silpną ekrano efektą. Pavyzdžiui, 2s elektronai ekranuoja tuos, kurie yra 2p orbitalėse, geriau nei 2p elektronai, ekranus, esančius 3s orbitalėje.

Px, Py ir Pz

Kadangi ml vertės yra -1, 0 ir +1, kiekviena reiškia Px, Py arba Pz orbitalę. Iš viso jie gali sutalpinti šešis elektronus (po du kiekvienai orbitai). Šis faktas yra labai svarbus norint suprasti elektroninę konfigūraciją, periodinę lentelę ir elementus, kurie sudaro vadinamąjį p bloką.

Orbitalių d

Šaltinis: Hanilakkis0528, iš „Wikimedia Commons“

D orbitalių vertės yra l = 2, o ml = -2, -1, 0, +1, +2. Taigi yra penkios orbitos, galinčios iš viso laikyti dešimt elektronų. Aukščiau esančiame paveikslėlyje pavaizduotos penkios d orbitų kampinės funkcijos.

Pirmiesiems, 3d orbitalėms, trūksta radialinių mazgų, tačiau visi kiti, išskyrus orbitą d _z2 , turi dvi mazgų plokštumas; o ne vaizdo plokštumos, nes tik iš jų matyti, kokiose ašyse yra oranžinės skiltelės su dobilų lapų formomis. Dvi mazgų plokštumos yra tokios, kurios skilsta statmenai pilkai plokštumai.

Dėl jų formų jie tampa dar mažiau veiksmingi ekranuojant veiksmingą branduolinį užtaisą. Kodėl? Nes jie turi daugiau mazgų, per kuriuos branduolys gali pritraukti išorinius elektronus.

Todėl visos d orbitalės prisideda prie ne tokio ryškaus atominio spindulio padidėjimo iš vieno energijos lygio į kitą.

Orbitalės f

Šaltinis: „Geek3“, iš „Wikimedia Commons“

Galiausiai f orbitalės turi kvantinius skaičius, kurių reikšmės yra l = 3, o ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Yra septynios f orbitos, iš viso keturiolika elektronų. Šie orbitalės tampa prieinamos nuo 6 laikotarpio, paviršutiniškai simbolizuojamos kaip 4f.

Kiekviena iš kampinių funkcijų žymi skilteles su sudėtinga forma ir keliomis mazgų plokštumomis. Todėl jie dar labiau apsaugo išorinius elektronus ir šis reiškinys paaiškina tai, kas vadinama lantanido susitraukimu.

Dėl šios priežasties sunkiųjų atomų atominių spindulių spinduliuotė neturi ryškių variacijų iš vieno n lygio į kitą n + 1 (pavyzdžiui, nuo 6n iki 7n). Iki šiol 5f orbitalės yra paskutinės, randamos natūraliuose ar dirbtiniuose atomais.

Atsižvelgiant į visa tai, tarp to, kas vadinama orbita, ir orbitų, atsiveria praraja. Nors iš esmės jie yra panašūs, iš tikrųjų jie yra labai skirtingi.

Atominės orbitalės samprata ir orbitos aproksimacija leido mums paaiškinti cheminį ryšį ir kaip tai gali vienaip ar kitaip paveikti molekulinę struktūrą.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas., P. 13–8). Mc Graw Hill.
2. Haris B. Grėjus. (1965). Elektronai ir cheminis sujungimas. WA Benjamin, Inc. Niujorkas.
3. „Quimitube“. (sf). Atominės orbitalės ir kvantiniai skaičiai. Atkurta iš: quimitube.com
4. „Nave CR“ (2016). Vizualizuojami elektronų orbitalės. Atkurta iš: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clarkas J. (2012). Atominiai orbitaliai. Atgauta iš: chemguide.co.uk
6. Kvantinės pasakos. (2011 m. Rugpjūčio 26 d.). Atominės orbitos, vidurinė mokykla meluoja. Atkurta iš: cuentos-cuanticos.com