АТОМСКЕ ОРБИТАЛЕ: ОД ЧЕГА СЕ САСТОЈЕ И ВРСТЕ - ХЕМИЈА - 2026

У атомских орбитала су они региони атому дефинисане помоћу таласне функције за електрона. Таласне функције су математички изрази добијени решавањем Сцхродингерове једначине. Они описују енергетско стање једног или више електрона у простору, као и вероватноћу да се нађу.

Овај физички концепт, који хемичари примењују да разумеју везу и периодичну табелу, сматра електрон као талас и честица истовремено. Због тога се слика Сунчевог система одбацује, где су електрони планете које се окрећу у орбити око језгра или сунца.

Извор: Аутор: Хааде, путем Викимедиа Цоммонс

Ова застарјела визуализација долази у обзир када илуструјемо нивое енергије у атому. На пример: круг окружен концентричним прстеновима који представљају орбите и њихове статичке електроне. У ствари, то је слика којом се атом упознаје са децом и младима.

Међутим, права атомска структура је превише сложена да би имала чак и грубу слику о њој.

Узимајући у обзир тада електрон као таласну честицу и решавајући Сцхродингерову диференцијалну једначину за атом водоника (најједноставнији систем од свих), добијени су познати квантни бројеви.

Ови бројеви указују на то да електрони не могу заузети ниједно место у атому, већ само оне који подлежу дискретном и квантизованом енергетском нивоу. Математички израз горе наведеног познат је као таласна функција.

Тако је из атома водоника процењен низ енергетских стања управљаних квантним бројевима. Та енергетска стања су се називала атомска орбитала.

Али, ово је само описало где се налазио електрон у атому водоника. За остале атоме, полиелектроника, од хелија надаље, направљена је орбитална апроксимација. Зашто? Јер је решавање Сцхродингерове једнаџбе за атоме са два или више електрона веома компликовано (чак и са тренутном технологијом).

Шта су атомске орбитале?

Атомске орбитале су таласне функције које се састоје од две компоненте: једне радијалне и једне угаоне. Овај математички израз је написан као:

Ψ _нлмл = Р _нл (р) И _лмл (ϕϕ)

Иако се у почетку може чинити компликованим, имајте на уму да су квантни бројеви н, л и мл наведени малим словима. То значи да ова три броја описују орбиталу. Р _нл (р), познатији као радијална функција, зависи од нила; док И _лмл (θϕ), угаона функција, зависи од л и мл.

У математичкој једначини такође постоје променљиве р, удаљеност до језгре и θ и ϕ. Резултат овог скупа једначина је физички приказ орбитала. Који? Онај који се види на горњој слици. Тамо је приказан низ орбитала које ће бити објашњене у наредним одељцима.

Њихови облици и дизајни (не боје) потичу од обликовања таласних функција и њихових радијалних и угаоних компоненти у простору.

Функција радијалног таласа

Као што се види у једначини, Р _нл (р) зависи и од н и л. Дакле, функција радијалног таласа је описана главним нивоом енергије и њеним подвојинама.

Ако би се електрон могао фотографирати без обзира на његов правац, могла би се опазити бесконачно мала тачка. Затим би, узимајући милионе фотографија, могло бити детаљно како се облак тачака мења у зависности од удаљености до језгре.

На овај начин може се упоредити густина облака у даљини и близу језгра. Ако би се иста операција поновила, али са другим нивоом енергије или под-нивоом, формирао би се други облак који затвара претходну. Између њих је мало простора где се електрони никада не налазе; то је оно што је познато као радијални чвор.

Такође, у облацима постоје подручја са већом и нижом густином електрона. Како се повећавају и удаљеније од језгра, то им је више радијалних чворова; и даље, растојање р на којем се електрон креће чешће и вјероватније је да ће се наћи.

Угаона таласна функција

Опет је из једначине познато да је И _лмл (θϕ) углавном описан квантним бројевима л и мл. Овог пута учествује у магнетном квантном броју, па је тако дефинисан правац електрона у простору; и овај правац се може схватити из математичких једначина које укључују променљиве θ и ϕ.

Сада не настављамо са фотографисањем, већ да снимимо видео путање електрона у атому. Супротно претходном експерименту, не зна се тачно где је електрон, већ где иде.

Како се електрон креће, он описује дефинисанији облак; у ствари, сферна фигура или фигура са режањима, попут оних које се виде на слици. Врста фигуре и њихов правац у простору описани су са л и мл.

Постоје региони, близу језгра, где електрони не пролазе и лик нестаје. Такви региони су познати као угаони чворови.

На пример, ако погледате прву сферну орбиту, брзо долазите до закључка да је она симетрична у свим смеровима; међутим, то није случај са осталим орбиталима чији облици откривају празне просторе. То се може приметити у поређењу картезијанске равни и у замишљеним равнинама између режња.

Вероватноћа проналаска електронске и хемијске везе

Извор: Фондација ЦК-12 (Филе: Хигх Сцхоол Цхемистри.пдф, стр. 265), путем Викимедиа Цоммонс

Да би се утврдила права вероватноћа проналаска електрона у орбити, морају се узети у обзир две функције: радијална и угаона. Према томе, није довољно претпоставити угаону компоненту, то јест илустровани облик орбитала, већ и како се њихова густина електрона мења у односу на удаљеност од језгра.

Међутим, будући да правци (мл) разликују једну орбиталу од друге, практично је (иако можда и не сасвим тачно) размотрити само облик орбитале. На овај начин се опис хемијске везе објашњава преклапањем ових података.

На пример, горе је упоредна слика три орбитале: 1с, 2с и 3с. Обратите пажњу на радијалне чворове унутра. Орбитал 1с нема чвор, док друга два имају један и два чвора.

Када се разматра хемијска веза, лакше је имати на уму само сферни облик ових орбитала. На овај начин се нс орбитала приближава другој, а на удаљености р, електрон ће формирати везу са електроном суседног атома. Одавде настаје неколико теоретичара (ТЕВ и ТОМ) који објашњавају ову везу.

Како се они симболишу?

Атомске орбитале су изричито симболизоване као: нл _мл .

Квантни бројеви узимају целобројне вредности 0, 1, 2, итд., Али да симболишу орбитале преостала је само бројчана вредност н. Док је за л, цео број замењен одговарајућим словом (с, п, д, ф); и за мл, променљива или математичка формула (осим за мл = 0).

На пример, за орбитал 1с: н = 1, с = 0 и мл = 0. Исто важи за све нс орбитале (2с, 3с, 4с, итд.).

Да би симболизовали остатак орбитала, потребно је обратити се на њихове типове, сваки са својим енергетским нивоима и карактеристикама.

Врсте

Орбиталс с

Квантни бројеви л = 0, а мл = 0 (поред радијалних и угаоних компоненти) описују орбиталу сферичног облика. Ово је она која води пирамиду орбитала иницијалне слике. Такође, као што се може видети на слици радијалних чворова, може се очекивати да орбитале 4с, 5с и 6с имају три, четири и пет чворова.

Карактерише их по томе што су симетрични и њихови електрони доживљавају већи ефикасан нуклеарни набој. То је зато што њени електрони могу продрети у унутрашње љуске и лебде врло близу језгра, што на њих позитивно привлачи.

Стога постоји вероватноћа да ће 3с електрон продрети у орбитал 2с и 1с, приближавајући се језгру. Ова чињеница објашњава зашто атом са сп хибридним орбитала више електронегативан (са већом тенденцијом да привуче електронску густину од својих суседних атома) од оног са сп ³ хибридизација .

Дакле, електрони у с орбитали су они који искусују да се језгро наелектришу и енергетски су стабилније. Заједно, они пружају заштитни ефекат на електроне у другим подравнинама или орбиталама; то јест, они смањују стварни нуклеарни набој З који доживљавају најудаљенији електрони.

Орбитале стр

Извор: Давид Мантхеи путем Википедије

П орбитале имају квантне бројеве л = 1, и са вредностима мл = -1, 0, +1. Односно, електрон на овим орбиталима може да преузме три смера, који су представљени као жуте бучице (према слици горе).

Имајте на уму да се свака бучица налази дуж картезијанске оси к, и и з. Стога је та п орбитала која се налази на оси к означена као п _к ; онај на оси и, п _и ; и ако покаже окомито на равнину к, то јест на оси з, тада је п _з .

Све орбите су окомите једна на другу, односно формирају угао од 90 °. Исто тако, углава функција нестаје у језгру (порекло картезијанске осе), а постоји само вероватноћа да се електрон нађе у лобовима (чија густина електрона зависи од радијалне функције).

Лош заштитни ефекат

Електрони на овим орбиталима не могу пробити унутрашње љуске једнако лако као и орбитале. Упоређујући своје форме, чини се да су п орбитале ближе језгру; међутим, нс електрони се налазе чешће око језгра.

Шта је последица наведеног? Да нп електрон доживљава нижи ефективни нуклеарни набој. Надаље, ово потоње се додатно смањује заштитним ефектом с орбитала. Ово објашњава, на пример, зашто атом са сп ³ хибридним орбитала мања електронегативан од оног са СП ² или СП орбитала .

Важно је напоменути да свака бучица има кутну нодалну равнину, али нема радијалних чворова (само 2п орбитале). Односно, да се реже, унутра не би било слојева као код орбите 2с; али од 3п орбитала надаље, почели би се опажати радијални чворови.

Ови угаони чворови одговорни су за најудаљеније електроне који имају слаб ефекат заштите. На пример, 2с електрони штите оне у 2п орбитали боље од 2п електрона који штите оне у 3с орбитали.

Пк, Пи и Пз

Пошто су вредности мл -1, 0 и +1, свака представља Пк, Пи или Пз орбитал. Укупно могу примити шест електрона (два за сваку орбиталу). Ова чињеница је кључна за разумевање електронске конфигурације, периодичне табеле и елемената који чине такозвани п-блок.

Орбитале д

Извор: Аутор: Ханилаккис0528, из Викимедиа Цоммонс

Д орбитале имају вредности л = 2, а мл = -2, -1, 0, +1, +2. Због тога постоји пет орбитала које могу држати укупно десет електрона. Пет горњих функција д орбитала су представљене на горњој слици.

Прве, 3д орбитале немају радијалне чворове, али све остале, осим д _з2 орбитале , имају две нодалне равни; а не на равнини слике, јер оне само показују у којима се налазе наранчасте оси са облицима листова детелине. Две нодалне равни су оне које се деле правокотно на сиву равнину.

Њихови облици чине их још мање ефикасним у заштити заштитног ефективног нуклеарног набоја. Зашто? Зато што имају више чворова, кроз које језгро може привлачити спољне електроне.

Стога све д орбитале доприносе мање израженом повећању атомског радијуса из једног енергетског нивоа у други.

Орбитале ф

Извор: Аутор Геек3, из Викимедиа Цоммонс

Коначно, ф орбитале имају квантне бројеве са вредностима л = 3, а мл = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Постоји седам ф орбитала, за укупно четрнаест електрона. Те орбитале постају доступне од периода 6, а површно их симболизују као 4ф.

Свака угласта функција представља режњеве замршених облика и неколико нодалних равнина. Због тога они још мање штите спољне електроне и овај феномен објашњава оно што је познато као контракција лантанида.

Из тог разлога, за тешке атоме нема изражене разлике у њиховим атомским радијусима од једног нивоа н до другог н + 1 (на пример 6н до 7н). До данас је 5ф орбитала последња пронађена у природним или вештачким атомима.

Имајући то у виду, отвара се јаз између онога што је познато као орбита и орбитала. Иако су текстуално слични, у стварности се јако разликују.

Концепт атомске орбитале и орбитална апроксимација омогућили су нам да објаснимо хемијску везу и како она може, на овај или онај начин, утицати на молекуларну структуру.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија. (Четврто издање, стр. 13-8). Мц Грав Хилл.
2. Харри Б. Греи. (1965). Електрони и хемијско везивање. ВА Бењамин, Инц. Њујорк.
3. Куимитубе. (сф) Атомске орбитале и квантни бројеви. Опоравак од: куимитубе.цом
4. Наве ЦР (2016). Визуализација електронских орбитала. Опоравак од: хиперпхисицс.пхи-астр.гсу.еду
5. Цларк Ј. (2012). Атомске орбитале. Опоравак од: цхемгуиде.цо.ук
6. Квантне приче. (26. августа 2011). Атомске орбите, средњошколска лаж. Опоравак од: цуентос-цуантицос.цом