ATOMSKE ORBITALE: OD ČEGA SE SASTOJE I VRSTE - KEMIJA - 2025

Su orbitale su one regije ugljika definiranog vala funkcije za elektrona. Valne funkcije su matematički izrazi dobiveni rješavanjem Schrödingerove jednadžbe. Oni opisuju energetsko stanje jednog ili više elektrona u prostoru, kao i vjerojatnost da se on nađe.

Ovaj fizički koncept, koji kemičari primjenjuju kako bi razumjeli vezu i periodičnu tablicu, smatra elektron kao val i čestica istovremeno. Stoga se slika Sunčevog sustava odbacuje, gdje su elektroni planeti koji se okreću u orbiti oko jezgre ili sunca.

Izvor: Haade, putem Wikimedia Commons

Ova zastarjela vizualizacija dolazi u obzir kad ilustriramo razine energije atoma. Na primjer: krug okružen koncentričnim prstenovima koji predstavljaju orbite i njihovim statičkim elektronima. U stvari, to je slika kojom se atom uvodi kod djece i mladih.

Međutim, prava je atomska struktura previše složena da bi se o njoj mogla imati gruba slika.

Uzimajući u obzir tada elektron kao valnu česticu i rješavanje Schrödingerove diferencijalne jednadžbe za atom vodika (najjednostavniji sustav od svih), dobiveni su poznati kvantni brojevi.

Ovi brojevi ukazuju na to da elektroni ne mogu zauzeti nijedno mjesto u atomu, već samo one koji podliježu diskretnoj i kvantiziranoj energetskoj razini. Matematički izraz gore navedenog poznat je kao valna funkcija.

Tako je iz atoma vodika procijenjen niz energetskih stanja upravljanih kvantnim brojevima. Ta se energetska stanja zvala atomska orbitala.

Ali, ovi su samo opisali smještanje elektrona u atomu vodika. Za ostale atome, polielektronika, od helija nadalje, napravljena je orbitalna aproksimacija. Zašto? Jer je rješavanje Schrödingerove jednadžbe za atome s dva ili više elektrona vrlo komplicirano (čak i uz trenutnu tehnologiju).

Što su atomske orbitale?

Atomske orbitale su valne funkcije koje se sastoje od dvije komponente: jedne radijalne i jedne kutne. Ovaj se matematički izraz zapisuje kao:

Ψ _nlml = R _nl (r) Y _lml (θϕ)

Iako se u početku može činiti kompliciranim, imajte na umu da su kvantni brojevi n, l i ml označeni malim slovima. To znači da ova tri broja opisuju orbitalu. R _nl (r), poznatiji kao radijalna funkcija, ovisi o nilu; dok Y _lml (θϕ), kutna funkcija, ovisi o l i ml.

U matematičkoj jednadžbi nalaze se i varijable r, udaljenost do jezgre i θ i ϕ. Rezultat svih ovih skupa jednadžbi je fizički prikaz orbitala. Koji? Onaj koji se vidi na gornjoj slici. Tamo je prikazan niz orbitala koji će biti objašnjeni u sljedećim odjeljcima.

Njihovi oblici i dizajni (ne boje) potječu od oblikovanja valnih funkcija i njihovih radijalnih i kutnih komponenti u prostoru.

Funkcija radijalnog vala

Kao što se vidi u jednadžbi, R _nl (r) ovisi i o n i l. Znači, funkcija radijalnog vala opisana je glavnom razinom energije i njezinim podravnima.

Ako bi se elektron mogao fotografirati bez obzira na njegov smjer, mogla bi se opaziti beskonačno mala točka. Zatim bi, uzimajući milijune fotografija, moglo biti detaljno prikazano kako se oblak točaka mijenja kao funkcija udaljenosti do jezgre.

Na taj se način može usporediti gustoća oblaka u daljini i u blizini jezgre. Ako bi se ista operacija ponovila, ali s drugom energetskom razinom ili podravnom, stvorio bi se drugi oblak koji zatvara prethodnu. Između njih je mali prostor u kojem se nikad ne nalazi elektron; to je ono što je poznato kao radijalni čvor.

Također, u oblacima postoje regije s većom i nižom gustoćom elektrona. Kako se povećavaju i udaljenije od jezgre, to više radijalnih čvorova; i nadalje, udaljenost r gdje se elektron kreće češće i vjerojatnije je da će ga se naći.

Kutna valna funkcija

Opet je iz jednadžbe poznato da je Y _lml (θϕ) uglavnom opisan kvantnim brojevima l i ml. Ovaj put sudjeluje u magnetskom kvantnom broju, stoga je definiran smjer elektrona u prostoru; a taj se smjer može shvatiti iz matematičkih jednadžbi koje uključuju varijable θ i ϕ.

Sada ne nastavljamo fotografirati, već snimiti video putanju elektrona u atomu. Suprotno prethodnom eksperimentu, ne zna se točno gdje je elektron, već kamo ide.

Kako se elektron kreće, on opisuje definiraniji oblak; u stvari, sferni lik ili onaj s režnjevima, poput onih koji se vide na slici. Vrsta figure i njihov smjer u prostoru opisani su s l i ml.

Postoje regije, blizu jezgre, gdje elektron ne prolazi, a lik nestaje. Takve regije su poznate kao kutni čvorovi.

Na primjer, ako pogledate prvu sfernu orbitu, brzo dolazite do zaključka da je ona simetrična u svim smjerovima; međutim, to nije slučaj s ostalim orbitalima čiji oblici otkrivaju prazne prostore. To se može primijetiti na podrijetlu kartezijanske ravnine i u zamišljenim ravninama između režnja.

Vjerojatnost pronalaska elektronske i kemijske veze

Izvor: Zaklada CK-12 (File: High School Chemistry.pdf, str. 265), putem Wikimedia Commons

Da bi se utvrdila stvarna vjerojatnost pronalaska elektrona u orbiti, moraju se uzeti u obzir dvije funkcije: radijalna i kutna. Stoga nije dovoljno pretpostaviti kutnu komponentu, to jest ilustrirani oblik orbitala, već i kako se njihova gustoća elektrona mijenja s obzirom na udaljenost od jezgre.

Međutim, budući da smjerovi (ml) razlikuju jednu orbitalu od druge, praktično je (iako možda i ne sasvim ispravno) uzeti u obzir samo oblik orbitale. Na taj se način opis kemijske veze objašnjava preklapanjem ovih podataka.

Na primjer, gore je komparativna slika triju orbitala: 1s, 2s i 3s. Obratite pažnju na njegove radijalne čvorove. Orbital 1s nema čvor, dok druga dva imaju jedan i dva čvora.

Kada razmatramo kemijsku vezu, lakše je imati na umu samo sferni oblik ovih orbitala. Na taj se način ns orbitala približava drugoj, a na udaljenosti r, elektron će stvoriti vezu s elektronom susjednog atoma. Odatle proizlazi nekoliko teoretičara (TEV i TOM) koji objašnjavaju ovu vezu.

Kako se simboliziraju?

Atomske orbitale su izričito simbolizirane kao: nl _ml.

Kvantni brojevi uzimaju cjelobrojne vrijednosti 0, 1, 2, itd., Ali da simboliziraju orbitale, preostala je samo brojčana vrijednost n. Dok je za l, cijeli se broj zamjenjuje odgovarajućim slovom (s, p, d, f); a za ml, varijabilna ili matematička formula (osim za ml = 0).

Na primjer, za orbital 1s: n = 1, s = 0, a ml = 0. Isto vrijedi za sve ns orbitale (2s, 3s, 4s, itd.).

Da bi simbolizirali ostatak orbitala, potrebno je obratiti se na njihove tipove, svaki sa svojim energetskim razinama i karakteristikama.

vrste

Orbitale s

Kvantni brojevi l = 0, a ml = 0 (osim radijalnih i kutnih komponenti) opisuju orbitalu sferičnog oblika. Ovo je ona koja vodi piramidu orbitala početne slike. Također, kao što se može vidjeti na slici radijalnih čvorova, može se očekivati ​​da orbitale 4s, 5s i 6s imaju tri, četiri i pet čvorova.

Karakterizira ih da su simetrični i njihovi elektroni doživljavaju veći učinkovit nuklearni naboj. To je zbog toga što njegovi elektroni mogu prodrijeti u unutarnje ljuske i lebde vrlo blizu jezgre, što na njih djeluje pozitivno.

Stoga postoji vjerojatnost da bi 3s elektron mogao prodrijeti u orbital 2s i 1s, približavajući se jezgri. Ta činjenica objašnjava zašto atom s sp hibridnih orbitala više elektro (s većom tendencijom za privlačenje elektronsku gustoću od susjednih atoma) svojim od jednog s sp ³ hibridizacije.

Dakle, elektroni u s orbitali su oni koji iskusuju naboj na jezgri i energetski su stabilniji. Zajedno, oni pružaju zaštitni učinak na elektrone u drugim podravninama ili orbitalama; to jest, oni smanjuju stvarni nuklearni naboj Z koji su iskusili najudaljeniji elektroni.

Orbitale str

Izvor: David Manthey putem Wikipedije

P orbitale imaju kvantne brojeve l = 1, a sa vrijednostima ml = -1, 0, +1. Odnosno, elektron u tim orbitalima može poprimiti tri smjera, koji su predstavljeni kao žuti dumbbells (prema gornjoj slici).

Napominjemo da se svaka bučica nalazi duž kartezijanske osi x, y i z. Stoga je ta p orbitala smještena na osi x označena kao p _x; onaj na osi y, p _y; a ako pokaže okomito na ravninu x, to jest na osi z, tada je p _z.

Sve orbite su okomite jedna na drugu, to jest, tvore kut od 90 °. Isto tako, kutna funkcija nestaje u jezgri (ishodište kartezijanske osi), a postoji samo vjerojatnost pronalaska elektrona unutar režnja (čija gustoća elektrona ovisi o radijalnoj funkciji).

Loš zaštitni učinak

Elektroni iz ovih orbitala ne mogu prodrijeti u unutarnju školjku jednako lako kao s orbitala. Uspoređujući njihove oblike, p orbitale su izgleda bliže jezgri; međutim, ns elektroni se nalaze češće oko jezgre.

Koja je posljedica navedenog? Da np elektron ima niži učinkovit nuklearni naboj. Nadalje, ovo potonje se dalje smanjuje efektom oklopa s orbitala. To objašnjava, na primjer, zbog čega atom s sp ³ hibridna orbitala manji od elektro jedna s sp ² ili sp orbitala.

Također je važno napomenuti da svaka bučica ima kutnu nodalnu ravninu, ali nema radijalnih čvorova (samo 2p orbitale). Odnosno, da se reže, unutra ne bi bilo slojeva kao u orbiti 2s; ali od 3p orbitala nadalje, počeli bi se opažati radijalni čvorovi.

Ovi kutni čvorovi odgovorni su za najudaljenije elektrone koji imaju slab učinak zaštite. Na primjer, 2s elektroni štite one u 2p orbitali bolji od 2p elektrona koji štite one u 3s orbitali.

Px, Py i Pz

Budući da su vrijednosti ml -1, 0 i +1, svaka predstavlja Px, Py ili Pz orbital. Ukupno mogu smjestiti šest elektrona (dva za svaku orbitu). Ova je činjenica ključna za razumijevanje elektroničke konfiguracije, periodične tablice i elemenata koji čine takozvani p-blok.

Orbitale d

Izvor: Autor: Hanilakkis0528, iz Wikimedia Commons

D orbitale imaju vrijednosti l = 2, a ml = -2, -1, 0, +1, +2. Stoga postoji pet orbitala koje mogu držati ukupno deset elektrona. Pet gornjih funkcija d orbitala prikazano je na gornjoj slici.

Prve, 3d orbitale nemaju radijalne čvorove, ali sve ostale, osim d _z2 orbitale, imaju dvije nodalne ravnine; a ne ravnine slike, jer one samo pokazuju u kojima su sjekire narančaste režnjeve s oblicima lišća djeteline. Dvije nodalne ravnine su one koje se dijele okomito na sivu ravninu.

Njihovi oblici čine ih još manje učinkovitima u zaštiti učinkovitog nuklearnog naboja. Zašto? Budući da imaju više čvorova, kroz koje jezgro mogu privući vanjske elektrone.

Stoga sve d orbitale doprinose manje izraženom povećanju atomskog radijusa s jedne energetske razine na drugu.

Orbitale f

Izvor: Autor Geek3, iz Wikimedia Commons

Konačno, f orbitale imaju kvantne brojeve sa vrijednostima l = 3, a ml = -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Postoji sedam f orbitala, za ukupno četrnaest elektrona. Te orbitale postaju dostupne od razdoblja 6, a površno ih se simbolizira kao 4f.

Svaka kutna funkcija predstavlja režnjeve zamršenih oblika i nekoliko nodalnih ravnina. Stoga oni još manje štite vanjske elektrone i ovaj fenomen objašnjava ono što je poznato kao kontrakcija lantanida.

Iz tog razloga, za teške atome nema izražene razlike u njihovim atomskim polumjerima s jedne razine n na drugu n + 1 (na primjer 6n do 7n). Do danas je 5f orbitala posljednja pronađena u prirodnim ili umjetnim atomima.

Imajući to u vidu, otvara se jaz između onoga što je poznato kao orbita i orbitala. Iako su tekstualno slični, u stvarnosti su vrlo različiti.

Koncept atomske orbitale i orbitalna aproksimacija omogućili su objašnjenje kemijske veze i kako ona, na ovaj ili onaj način, može utjecati na molekularnu strukturu.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje., Str. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Grey. (1965). Elektroni i kemijsko vezivanje. WA Benjamin, Inc New York.
3. Quimitube. (SF). Atomske orbitale i kvantni brojevi. Oporavilo od: quimitube.com
4. Nave CR (2016). Vizualizacija elektronskih orbitala. Oporavak od: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomske orbitale. Oporavak od: chemguide.co.uk
6. Kvantne priče. (26. kolovoza 2011.). Atomske orbitale, srednjoškolska laž. Oporavilo od: cuentos-cuanticos.com