Kaj so atomske orbitale?

V kemiji in fiziki so atomski orbitali funkcija imenovana val, ki opisuje lastnosti, značilne za največ dva elektrona v bližini atomskega jedra ali sistem jeder, kot v molekuli. Orbit je pogosto prikazan kot tridimenzionalno območje, v katerem je 95-odstotna verjetnost, da bi našli elektron.

Orbitalna in orbita

Ko se planet giblje okoli Sonca, je opisana pot, ki se imenuje orbita. Podobno se lahko atom predstavlja kot elektroni, ki krožijo v orbitih okoli jedra. Dejstvo je, da je vse drugačno in da so elektroni v prostorih, znanih kot atomske orbitale. Kemija je zadovoljna s poenostavljenim modelom atoma za izračun valovne enačbe Schrödinger in s tem določanjem možnih stanj elektronov.

Orbite in orbitali zveni podobno, vendar imajo popolnoma drugačne pomene. Izjemno pomembno je razumeti razliko med njimi.

Nepopravljivost slike o orbitih

Če želite zgraditi potezo gibanja nečesa, morate natančno vedeti, kje je objekt, in ugotoviti, kje bo v trenutku. Za elektrona tega ni mogoče storiti.

Glede na načelo negotovosti Heisenberg, Nemogoče je natančno vedeti, kje je trenutno delec in kje se bo kasneje izkazalo. (Pravzaprav, načelo pravi, da je nemogoče hkrati in absolutno natančno določiti njen trenutek in zagon).

Zato je nemogoče zgraditi orbito gibanja elektronov okoli jedra. Je to velik problem? Ne, ni. Če je nekaj nemogoče, je treba sprejeti in najti načine, kako se približati.

Elektron vodika - 1s-orbital

Recimo, da obstaja en atom vodika in v določenem trenutku grafično zajame položaj enega elektronov. Kmalu zatem se postopek ponovi in ​​opazovalec ugotovi, da je delec v novem položaju. Kot je prišlo s prvega mesta v drugem, ni znano.

Če še naprej delujete na tak način, se bo postopoma izoblikoval nekakšen 3D zemljevid krajev, kjer se verjetno nahaja delec.

V primeru atom vodika se lahko elektron nahaja kjerkoli v sferičnem prostoru okoli jedra. Diagram prikazuje prerez tega sferičnega prostora.

95% časa (ali katerikoli drug odstotek, saj lahko samo dimenzije vesolja zagotovijo absolutno gotovost), bo elektron v precej preprostem določenem območju prostora, ki je dovolj blizu jedru. Takšna lokacija se imenuje orbital. Atomske orbitale so prostori, v katerih obstaja elektron.

Kaj počne tam? Ne vemo, ne moremo vedeti in zato preprosto zanemarjamo ta problem! Lahko rečemo samo, da če je elektron v določeni orbital, potem bo imel določeno energijo.

Vsaka orbita ima ime.

Prostor, ki ga zaseda elektron vodika, se imenuje 1s-orbitale. Enota tukaj pomeni, da je delec na ravni energije najbližji jedru. S govori o obliki orbite. S-orbitali so sferično simetrični glede na jedro - vsaj kot votla kroglica precej gostega materiala z jedrom v središču.

2s

Naslednja orbitalija je 2s. Podobno je 1s, le da je območje najbolj verjetne elektronske lokacije dlje od jedra. To je orbital druge stopnje energije.

Če pogledate natančno, lahko vidite, da je bližje jedru še druga regija z nekoliko višjo gostoto elektronov ("gostota" je drug način, ki nakazuje verjetnost, da je ta delec prisoten na določenem mestu).

2s-elektroni (in 3s, 4s, itd.) Nekaj ​​časa delajo precej bližje središču atoma, kot bi pričakovali. Rezultat je rahel upad energije v s-orbitalih. Bližje se elektroni približajo jedru, manj energije postane.

3s-, 4s-orbitali (in tako naprej) so dlje od središča atoma.

P-orbitali

Vsi elektroni ne živijo v s-orbitalih (dejansko jih je malo). Na prvi energetska raven Edina razpoložljiva lokacija za njih je 1s, na drugi 2s in 2p.

Orbitalne naprave te vrste so bolj podobne 2 enakim balonom, ki so med seboj povezane na jedro. Diagram prikazuje prerez tridimenzionalne regije prostora. Spet, orbital prikazuje le regijo s 95% verjetnostjo poiskati posamezen elektron.

Če si predstavljamo vodoravno ravnino, ki poteka skozi jedro na tak način, da bo en del orbite nad ravnino in drugi pod njim, potem obstaja nična verjetnost, da bi našli na tem ravnini. Torej, kako delec pride iz enega dela v drugega, če ne more nikoli preiti skozi osrednjo ravnino? To je posledica njene narave.

V nasprotju s s- ima p-orbit definitivno smer.

Na kateri koli ravni energije lahko imate tri popolnoma enakovredne p-orbitale, ki se nahajajo pravokotno drug na drugega. Simboli so označeni s simboli p_x, str_na in str_z. Torej je sprejemljivo za udobje - kaj pomeni smer X, Y ali Z, se nenehno spreminja, saj se atom naključno premika v vesolju.

P-orbitale na drugi ravni energije imenujemo 2p_x, 2p_na in 2p_z. Obstajajo podobne orbitale in kasneje - 3p_x, 3p_y, 3p_z, 4p_x, 4p_y, 4p_z in tako naprej.

Vse ravni, razen prve, imajo p-orbitale. Višji "cvetni listi" so podolgovati, pri čemer je najverjetnejša lokacija elektrona na večji razdalji od jedra.

d- in f-orbitale

Poleg s in p orbitalov sta na voljo še dve skupini orbitalov za elektrone na višjih nivojih energije. Na tretjem mestu obstoji pet d-orbitalov (s kompleksnimi oblikami in imeni), kot tudi 3s in 3p orbitali (3p_x, 3p_y, 3p_z). Skupaj jih je 9.

V četrtem, skupaj s 4s in 4p in 4d, se pojavijo 7 dodatnih f-orbitalov - le 16, ki so na voljo tudi na vseh višjih nivojih energije.

Postavitev elektronov v orbitalih

Atom je mogoče zamisliti kot zelo čudno hišo (kot obrnjena piramida) z jedrom, ki živi v prvem nadstropju, in različnih prostorih na zgornjih nadstropjih, ki jih zasedajo elektroni:

• v prvem nadstropju je le 1 soba (1s);
• v drugi sobi že 4 (2s, 2p_x, 2p_na in 2p_z);
• v tretjem nadstropju je 9 sob (ena 3s, tri 3p in pet 3d orbitalov) in tako naprej.

Toda sobe niso zelo velike. Vsak od njih lahko vsebuje samo 2 elektroni.

Priročen način prikaza atomskih orbitalov, v katerih se nahajajo ti delci, je priprava "kvantnih celic".

Kvantne celice

Atomske orbitale lahko predstavljamo v obliki kvadratov z elektroni v njih, prikazanih v obliki puščic. Pogosto puščice, ki kažejo navzgor in navzdol, se uporabljajo za prikaz, da so ti delci drugačni drug od drugega.

Potreba po različnih elektronih v atomu je posledica kvantne teorije. Če so na različnih orbitalih - v redu je, če pa se nahajajo na eni, potem mora obstajati nekaj subtilne razlike med njimi. Kvantna teorija daje delčke s premoženjem, imenovano "spin", ki je smer puščic.

1s-orbita z dvema elektronoma je predstavljena kot kvadrat z dvema puščicama, ki sta usmerjena navzgor in navzdol, vendar je lahko še zapisana še hitreje kot 1s². To se glasi kot "ena sama dva" in ne kot "ena na kvadratu". Ne zamenjujte številk v tej notaciji. Prva označuje raven energije, druga pa število delcev na orbital.

Hibridizacija

V kemiji je hibridizacija koncept mešanja atomskih orbitalov v nove hibridne tiste, ki so sposobni spajati elektrone s tvorbo kemijskih vezi. Sp-hibridizacija razloži kemične vezi spojin, kot so alkini. V tem modelu se atomski orbitali ogljika 2s in 2p mešata in tvorita dva sp orbitala. Acetilen C₂H₂ sestoji iz sp-sp prepletanja dveh atomov ogljika s tvorbo sigma - povezava in dva dodatna pi - omejitve.

Atomski ogljikovi oksibali v nasičenih ogljikovodikih imajo enako hibridno sp³-Orbitalne enote imajo obliko buče, katerih del je veliko večji od drugega.

Sp²-hibridizacija je podobna prejšnjim in se tvori z mešanjem ene s in dveh p-orbitalov. Na primer, v molekuli etilena, tri sp²- in ena p-orbitalna.

Atomske orbitale: načelo polnjenja

Predstavlja prehode iz enega atoma v drugega v periodično tabelo kemijskih elementov, lahko določimo elektronsko strukturo naslednjega atoma z dodajanjem dodatnega delca na naslednjo razpoložljivo orbito.

Elektroni, preden napolnijo višje nivoje energije, zasedajo nižje, ki se nahajajo blizu jedra. Kjerkoli obstaja izbira, napolnijo orbitale posebej.

Ta vrstica polnjenja je znana kot pravilo Hunda. Uporablja se le, če imajo atomske orbitale enake energije, prav tako pa pomaga zmanjšati odbojnost med elektroni, zaradi česar je atom stabilnejši.

Opozoriti je treba, da imajo s-orbitali vedno enako rahlo nižjo energijo kot p pri enaki ravni energije, tako da se prva vedno napolni pred slednjo.

Kar je res čudno, je položaj 3d orbitalov. So na višji ravni kot 4s, zato so štiri orbite napolnjene najprej, nato pa vse 3d in 4p orbitale.

Ista zmeda se pojavi na višjih ravneh, pri čemer se med seboj prepletajo. Zato se na primer atomske orbitale 4f ne napolnijo, dokler niso zasedeni vsi sedeži na šestih.

Poznavanje reda polnjenja je osrednjega pomena za razumevanje opisovanja elektronskih struktur.