Chemijoje ir fizikoje atominės orbitalės yra funkcija, vadinama bangine funkcija, apibūdinanti savybes, būdingas ne daugiau kaip dviem elektronams, esantiems šalia atomo branduolio ar branduolių sistemos, kaip ir molekulėje. Orbitalė dažnai vaizduojama kaip trimatė sritis, kurioje yra 95 procentų tikimybė rasti elektroną.
Orbitos ir orbitos
Kai planeta juda aplink Saulę, ji nuseka kelią, vadinamą orbita. Panašiai atomas gali būti pavaizduotas kaip elektronai, besisukantys orbitomis aplink branduolį. Tiesą sakant, viskas yra kitaip, o elektronai yra erdvės regionuose, žinomuose kaip atominės orbitalės. Chemija pasitenkina supaprastintu atomo modeliu, kad būtų galima apskaičiuoti Šriodingerio bangos lygtį ir atitinkamai nustatyti galimas elektrono būsenas.
Orbitos ir orbitos skamba panašiai, tačiau turi visiškai skirtingas reikšmes. Labai svarbu suprasti skirtumą tarp jų.
Neįmanoma parodyti orbitų
Norėdami nubrėžti kažko trajektoriją, turite tiksliai žinoti, kur yra objektasyra ir galės nustatyti, kur jis bus akimirksniu. Tai neįmanoma elektronui.
Pagal Heisenbergo neapibrėžtumo principą neįmanoma tiksliai žinoti, kur dalelė yra šiuo metu ir kur ji bus vėliau. (Tiesą sakant, principas sako, kad neįmanoma vienu metu ir absoliučiai tiksliai nustatyti jo impulsą ir impulsą).
Todėl neįmanoma sukurti elektrono orbitos aplink branduolį. Ar tai didelė problema? Nr. Jei kažkas neįmanoma, reikia su tuo susitaikyti ir ieškoti būdų, kaip tai išvengti.
Vandenilio elektronas – 1s orbitalė
Tarkime, kad yra vienas vandenilio atomas ir tam tikru laiko momentu grafiškai atspausdinama vieno elektrono padėtis. Netrukus po to procedūra kartojama ir stebėtojas nustato, kad dalelė yra naujoje padėtyje. Kaip ji pateko iš pirmos vietos į antrąją, nežinoma.
Jei tęsite taip, palaipsniui suformuosite savotišką 3D žemėlapį, kur greičiausiai bus dalelė.
Vandilio atomo atveju elektronas gali būti bet kurioje sferinėje erdvėje, supančioje branduolį. Diagrama rodo šios sferinės erdvės skerspjūvį.
95% laiko (arba bet koks kitas procentas, nes tik visatos dydis gali suteikti šimtaprocentinį tikrumą) elektronas bus gana lengvai apibrėžtoje erdvės srityje, pakankamai arti branduolio. Tokia sritis vadinama orbita. Atominės orbitos yraerdvės sritys, kuriose egzistuoja elektronas.
Ką jis ten veikia? Mes nežinome, negalime žinoti, todėl tiesiog ignoruojame šią problemą! Galime tik pasakyti, kad jei elektronas yra tam tikroje orbitoje, tada jis turės tam tikrą energiją.
Kiekviena orbita turi pavadinimą.
Erdvė, kurią užima vandenilio elektronas, vadinama 1s orbitale. Vienetas čia reiškia, kad dalelė yra arčiausiai branduolio esančiame energijos lygyje. S pasakoja apie orbitos formą. S-orbitalės yra sferiškai simetriškos branduoliui – bent jau kaip tuščiaviduris gana tankios medžiagos rutulys, kurio centre yra branduolys.
2s
Kita orbita yra 2 s. Jis panašus į 1s, išskyrus tai, kad greičiausiai elektrono vieta yra toliau nuo branduolio. Tai antrojo energijos lygio orbitalė.
Jei pažvelgsite įdėmiai, pastebėsite, kad arčiau branduolio yra kita šiek tiek didesnio elektronų tankio sritis ("tankis" yra dar vienas būdas parodyti tikimybę, kad ši dalelė yra tam tikroje vietoje).
2s elektronai (ir 3s, 4s ir kt.) dalį savo laiko praleidžia daug arčiau atomo centro, nei galima tikėtis. Dėl to šiek tiek sumažėja jų energija s-orbitalėse. Kuo arčiau elektronai priartėja prie branduolio, tuo mažesnė jų energija.
3s-, 4s-orbitalės (ir tt) vis toliau nuo atomo centro.
P-orbitals
Ne visi elektronai gyvena s orbitose (tiesą sakant, labai mažai iš jų gyvena). Pirmajame energijos lygyje vienintelė jų vieta yra 1 s, antrajame pridedami 2 s ir 2 p.
Šio tipo orbitos yra daugiau kaip 2 vienodi balionai, sujungti vienas su kitu šerdyje. Diagrama rodo 3 dimensijos erdvės srities skerspjūvį. Vėlgi, orbita rodo tik sritį, kurioje yra 95 procentų tikimybė rasti vieną elektroną.
Jei įsivaizduosime horizontalią plokštumą, kuri eina per branduolį taip, kad viena orbitos dalis bus virš plokštumos, o kita žemiau jos, tada tikimybė rasti elektroną šioje plokštumoje yra nulinė. Taigi kaip dalelė patenka iš vienos dalies į kitą, jei ji niekada negali pereiti per branduolio plokštumą? Taip yra dėl bangos pobūdžio.
Skirtingai nei s-, p-orbitalė turi tam tikrą kryptį.
Bet kuriuo energijos lygiu galite turėti tris visiškai lygiavertes p-orbitales, išdėstytas stačiu kampu viena kitos atžvilgiu. Jie savavališkai žymimi simboliais px, py ir pz. Tai priimta dėl patogumo – tai, kas reiškia X, Y arba Z kryptis, nuolat kinta, nes atomas erdvėje juda atsitiktinai.
P-orbitalės antrojo energijos lygyje vadinamos 2px, 2py ir 2pz. Vėlesnėse yra panašios orbitos - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz ir taip toliau.
Visi lygiai, išskyrus pirmąjį, turi p-orbitales. Aukštesniuose lygiuose „žiedlapiai“yra labiau pailgi, o greičiausiai elektrono vieta yra didesniu atstumu nuo branduolio.
d- ir f-orbitalės
Be s ir p orbitalių, yra dar du orbitų rinkiniai, prieinami elektronams, turintiems aukštesnio energijos lygio. Trečiajame gali būti penkios d-orbitalės (su sudėtingomis formomis ir pavadinimais), taip pat 3s- ir 3p-orbitalės (3px, 3py, 3pz). Iš viso čia yra 9.
Ketvirtajame kartu su 4s, 4p ir 4d atsiranda 7 papildomos f-orbitalės – iš viso 16, taip pat pasiekiamos visais aukštesniais energijos lygiais.
Elektronų išdėstymas orbitose
Atomą galima įsivaizduoti kaip labai įmantrų namą (kaip apverstą piramidę), kurio pirmame aukšte gyvena branduolys, o viršutiniuose aukštuose yra įvairios patalpos, kurias užima elektronai:
- pirmame aukšte yra tik 1 kambarys (1s);
- antrame kambaryje jau 4 (2s, 2px, 2py ir 2pz);
- trečiame aukšte yra 9 kambariai (vienas 3s, trys 3p ir penkios 3d orbitos) ir t.t.
Bet kambariai nėra labai dideli. Kiekvienas iš jų gali turėti tik 2 elektronus.
Patogus būdas parodyti atomines orbitas, kuriose yra šios dalelės, yra nubrėžti „kvantines ląsteles“.
Kvantinės ląstelės
BranduolinėOrbitalės gali būti pavaizduotos kaip kvadratai, o jose esantys elektronai rodomi kaip rodyklės. Dažnai rodyklės aukštyn ir žemyn naudojamos norint parodyti, kad šios dalelės skiriasi.
Įvairių elektronų poreikis atome yra kvantinės teorijos pasekmė. Jei jie yra skirtingose orbitose, tai gerai, bet jei jie yra toje pačioje orbitoje, tada tarp jų turi būti nedidelis skirtumas. Kvantinė teorija dalelėms suteikia savybę, vadinamą „sukimu“, kurią rodo rodyklių kryptis.
1s orbitalė su dviem elektronais rodoma kaip kvadratas su dviem rodyklėmis, nukreiptomis aukštyn ir žemyn, tačiau ją taip pat galima parašyti dar greičiau kaip 1s2. Rašoma „vienas s du“, o ne „vienas kvadratas“. Skaičiai šiuose užrašuose neturėtų būti painiojami. Pirmasis yra energijos lygis, o antrasis yra dalelių skaičius orbitoje.
Hibridizacija
Chemijoje hibridizacija yra atominių orbitalių maišymo į naujas hibridines orbitales, galinčias susieti elektronus ir sudaryti cheminius ryšius, koncepcija. Sp hibridizacija paaiškina cheminius junginių, tokių kaip alkinai, ryšius. Šiame modelyje 2s ir 2p anglies atomų orbitalės susimaišo ir sudaro dvi sp orbitales. Acetilenas C2H2 susideda iš dviejų anglies atomų sp-sp susipynimo su σ jungtimi ir dviem papildomomis π jungtimis.
Atominės anglies orbitos sočiųjų angliavandenilių turiidentiškos hibridinės sp3-orbitalės, panašios į hantelius, kurių viena dalis yra daug didesnė už kitą.
Sp2-hibridizacija yra panaši į ankstesnes ir susidaro sumaišius vieną s ir dvi p-orbitales. Pavyzdžiui, etileno molekulėje susidaro trys sp2- ir viena p-orbitalė.
Atominės orbitos: užpildymo principas
Įsivaizduojant perėjimus iš vieno atomo į kitą periodinėje cheminių elementų lentelėje, galima nustatyti kito atomo elektroninę struktūrą į kitą turimą orbitą įdėjus papildomą dalelę.
Elektronai, prieš užpildydami aukštesnius energijos lygius, užima žemesnius, esančius arčiau branduolio. Kur yra pasirinkimas, jie užpildo orbitas atskirai.
Ši užpildymo tvarka žinoma kaip Hundo taisykle. Tai taikoma tik tada, kai atomų orbitalių energija yra vienoda, taip pat padeda sumažinti elektronų atstūmimą, todėl atomas tampa stabilesnis.
Atkreipkite dėmesį, kad s-orbitalė visada turi šiek tiek mažiau energijos nei p orbitalė tuo pačiu energijos lygiu, todėl pirmoji visada užpildoma prieš antrąją.
Iš tiesų keista yra 3D orbitų padėtis. Jie yra aukštesnio lygio nei 4s, todėl pirmiausia užpildomos 4s orbitalės, po to visos 3d ir 4p orbitos.
Ta pati painiava vyksta aukštesniuose lygmenyse, kai tarpuose yra daugiau pynimų. Todėl, pavyzdžiui, 4f atominės orbitalės neužpildomos tol, kol nebus užpildytos visos vietos6s.
Užpildymo tvarkos žinojimas yra labai svarbus norint suprasti, kaip apibūdinti elektronines struktūras.
