Orbitale atomowe, z czego się składają i typy

4432
Sherman Hoover

Plik orbitale atomowe to regiony atomu zdefiniowane przez funkcję falową dla elektronów. Funkcje falowe to wyrażenia matematyczne otrzymane z rozwiązania równania Schrödingera. Opisują one stan energetyczny jednego lub więcej elektronów w przestrzeni, a także prawdopodobieństwo jego znalezienia..

Ta fizyczna koncepcja, zastosowana przez chemików do zrozumienia wiązania i układu okresowego, traktuje elektron jako falę i cząstkę jednocześnie. Dlatego wyklucza się obraz Układu Słonecznego, w którym elektrony są planetami obracającymi się po orbitach wokół jądra lub Słońca..

Źródło: By haade [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) lub CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)] , za pośrednictwem Wikimedia Commons

Ta przestarzała wizualizacja przydaje się przy ilustrowaniu poziomów energetycznych atomu. Na przykład: okrąg otoczony koncentrycznymi pierścieniami reprezentującymi orbity i ich statyczne elektrony. W rzeczywistości jest to obraz, za pomocą którego atom jest przedstawiany dzieciom i młodzieży.

Jednak prawdziwa struktura atomowa jest zbyt złożona, aby mieć nawet jej zgrubny obraz..

Biorąc więc pod uwagę elektron jako cząstkę fali i rozwiązując równanie różniczkowe Schrödingera dla atomu wodoru (najprostszy układ ze wszystkich), otrzymano słynne liczby kwantowe.

Liczby te wskazują, że elektrony nie mogą zajmować żadnego miejsca w atomie, a jedynie te, które są zgodne z dyskretnym i skwantyzowanym poziomem energii. Matematyczne wyrażenie powyższego jest znane jako funkcja falowa.

W ten sposób z atomu wodoru oszacowano szereg stanów energetycznych, na które wpływają liczby kwantowe. Te stany energetyczne nazwano orbitaliami atomowymi.

Ale one opisywały tylko miejsce pobytu elektronu w atomie wodoru. Dla innych atomów, polielektroniki, począwszy od helu, dokonano przybliżenia orbity. Dlaczego? Ponieważ rozwiązanie równania Schrödingera dla atomów z dwoma lub więcej elektronami jest bardzo skomplikowane (nawet przy obecnej technologii).

Indeks artykułów

  • 1 Czym są orbitale atomowe?
    • 1.1 Funkcja fali radialnej
    • 1.2 Funkcja fali kątowej
    • 1.3 Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu i wiązania chemicznego
  • 2 Jak są one symbolizowane?
  • 3 rodzaje
    • 3.1 Orbitale
    • Orbitale 3,2 p
    • 3.3 Orbitale d
    • 3.4 Orbitale f
  • 4 Odnośniki

Co to są orbitale atomowe?

Orbitale atomowe to funkcje falowe, które składają się z dwóch składowych: jednej radialnej i drugiej kątowej. To wyrażenie matematyczne jest zapisane jako:

Ψnlml = R.nl(r) Ylml(θϕ)

Chociaż na początku może się to wydawać skomplikowane, zwróć uwagę na liczby kwantowe n, l Y ml są one oznaczone małymi literami. Oznacza to, że te trzy liczby opisują orbital. Rnl(r), lepiej znany jako funkcja radialna, zależy od n Y l; podczas gdy Ylml(θϕ), funkcja kątowa, zależy od l Y ml.

W równaniu matematycznym występują również zmienne r, odległość do jądra oraz θ i ϕ. Wynikiem całego tego zestawu równań jest fizyczna reprezentacja orbitali. Który? Ten widoczny na powyższym obrazku. Pokazano tam serię orbitali, które zostaną wyjaśnione w następnych rozdziałach.

Ich kształty i projekty (nie kolory) pochodzą z wykresów funkcji falowych oraz ich promieniowych i kątowych komponentów w przestrzeni..

Funkcja fali radialnej

Jak widać w równaniu, R.nl(r) zależy tak bardzo od n lubić l. Następnie funkcja fali radialnej jest opisywana przez główny poziom energii i jego podpoziomy.

Gdyby można było sfotografować elektron niezależnie od jego kierunku, można by zaobserwować nieskończenie mały punkt. Następnie, robiąc miliony zdjęć, można byłoby szczegółowo określić, jak chmura punktów zmienia się w funkcji odległości do rdzenia..

W ten sposób można porównać gęstość chmury w oddali iw pobliżu rdzenia. Gdyby ta sama operacja została powtórzona, ale z innym poziomem energii lub podpoziomem, powstałaby kolejna chmura otaczająca poprzednią. Pomiędzy nimi jest mała przestrzeń, w której elektron nigdy nie jest zlokalizowany; to jest znane jako węzeł promieniowy.

Podobnie w chmurach znajdują się regiony o wyższej i niższej gęstości elektronowej. W miarę jak stają się większe i dalej od jądra, mają więcej węzłów promieniowych; a także odległość r gdzie elektron wędruje najczęściej i jest najbardziej prawdopodobny do znalezienia.

Funkcja fali kątowej

Znów z równania wiadomo, że Ylml(θϕ) jest opisywane głównie za pomocą liczb kwantowych l Y ml. Tym razem bierze udział w magnetycznej liczbie kwantowej, dlatego określa się kierunek elektronu w przestrzeni; a kierunek ten można przedstawić na podstawie równań matematycznych obejmujących zmienne θ i ϕ.

Teraz nie przechodzimy do robienia zdjęć, ale do nagrania wideo trajektorii elektronu w atomie. W przeciwieństwie do poprzedniego eksperymentu nie wiadomo, gdzie dokładnie znajduje się elektron, ale dokąd zmierza.

Gdy elektron się porusza, opisuje bardziej zdefiniowaną chmurę; w rzeczywistości postać kulista lub taka z wypustkami, jak te widoczne na obrazku. Rodzaj figur i ich kierunek w przestrzeni opisuje l Y ml.

W pobliżu jądra znajdują się regiony, w których elektron nie przechodzi, a postać znika. Takie regiony są znane jako węzły kątowe.

Na przykład, jeśli spojrzysz na pierwszy sferyczny orbital, szybko dojdziesz do wniosku, że jest on symetryczny we wszystkich kierunkach; nie dotyczy to jednak innych orbitali, których kształty ujawniają puste przestrzenie. Można je zaobserwować na początku płaszczyzny kartezjańskiej oraz w wyimaginowanych płaszczyznach między płatami.

Prawdopodobieństwo znalezienia elektronu i wiązania chemicznego

Źródło: By CK-12 Foundation (File: High School Chemistry.pdf, strona 265) [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], za pośrednictwem Wikimedia Commons

Aby określić prawdziwe prawdopodobieństwo znalezienia elektronu na orbicie, należy wziąć pod uwagę dwie funkcje: promieniową i kątową. Dlatego nie wystarczy przyjąć składową kątową, czyli zilustrowany kształt orbitali, ale także to, jak zmienia się ich gęstość elektronowa w stosunku do odległości od jądra..

Jednak ponieważ adresy (ml) odróżniają jeden orbital od drugiego, praktyczne (choć być może nie do końca poprawne) jest rozważenie tylko kształtu orbity. W ten sposób opis wiązania chemicznego wyjaśniono poprzez nałożenie na siebie tych rysunków.

Na przykład powyżej jest porównawczy obraz trzech orbitali: 1s, 2s i 3s. Zwróć uwagę na jego węzły promieniowe w środku. Orbital 1s nie ma węzła, podczas gdy pozostałe dwa mają jeden i dwa węzły.

Rozważając wiązanie chemiczne, łatwiej jest pamiętać tylko o kulistym kształcie tych orbitali. W ten sposób orbital ns zbliża się do drugiego i to na odległość r, elektron utworzy wiązanie z elektronem sąsiedniego atomu. Stąd wyłania się kilku teoretyków (TEV i TOM), którzy wyjaśniają ten związek.

Jak są one symbolizowane?

Orbitale atomowe są wyraźnie symbolizowane jako: nlml.

Liczby kwantowe przyjmują wartości całkowite 0, 1, 2 itd., Ale tylko po to, by symbolizować orbitale n wartość liczbowa. Podczas gdy dla l, cała liczba jest zastępowana odpowiednią literą (s, p, d, f); i do ml, zmienna lub formuła matematyczna (z wyjątkiem ml= 0).

Na przykład dla orbitalu 1s: n= 1, s = 0 i ml= 0. To samo dotyczy wszystkich orbitali ns (2s, 3s, 4s itd.).

Aby symbolizować pozostałe orbitale, konieczne jest zajęcie się ich typami, z których każdy ma swój własny poziom energii i charakterystykę..

Rodzaje

Orbitale s

Liczby kwantowe l= 0 i ml= 0 (oprócz składowych promieniowych i kątowych) opisuje orbital o kulistym kształcie. To jest ten na szczycie piramidy orbitali na początkowym obrazie. Ponadto, jak widać na obrazie węzłów promieniowych, można oczekiwać, że orbitale 4s, 5s i 6s mają trzy, cztery i pięć węzłów..

Charakteryzują się symetrią, a ich elektrony doświadczają większego efektywnego ładunku jądrowego. Dzieje się tak, ponieważ jego elektrony mogą penetrować wewnętrzne powłoki i unosić się bardzo blisko jądra, co wywiera na nie pozytywny wpływ..

Dlatego istnieje prawdopodobieństwo, że elektron 3s może przeniknąć orbital 2s i 1s, zbliżając się do jądra. Fakt ten wyjaśnia, dlaczego atom z orbitaliami hybrydowymi sp jest bardziej elektroujemny (z większą tendencją do przyciągania gęstości elektronowej z sąsiednich atomów) niż atom z hybrydyzacją sp.3.

Zatem elektrony na orbitali s są tymi, które najbardziej doświadczają ładunku jądra i są bardziej stabilne energetycznie. Razem wywierają efekt ekranujący na elektrony na innych podpoziomach lub orbitali; to znaczy, zmniejszają rzeczywisty ładunek jądrowy Z, doświadczany przez najbardziej zewnętrzne elektrony.

Orbitale s

Źródło: David Manthey za pośrednictwem Wikipedii

Orbitale p mają liczby kwantowe l= 1 i przy wartościach ml= -1, 0, +1. Oznacza to, że elektron na tych orbitalach może przyjmować trzy kierunki, które są reprezentowane jako żółte hantle (zgodnie z powyższym obrazkiem).

Zwróć uwagę, że każdy hantel jest umieszczony wzdłuż osi kartezjańskiej x, Y Y z. Dlatego ten orbital p znajdujący się na osi x jest oznaczony jako px; ten na osi Y, sY; a jeśli wskazuje prostopadle do płaszczyzny xy, to znaczy na osi z, to jest pz.

Wszystkie orbitale są do siebie prostopadłe, to znaczy tworzą kąt 90º. Podobnie funkcja kątowa znika w jądrze (początek osi kartezjańskiej) i istnieje tylko prawdopodobieństwo znalezienia elektronu w płatach (którego gęstość elektronów zależy od funkcji radialnej).

Słaby efekt ekranowania

Elektrony na tych orbitalach nie mogą przenikać powłok wewnętrznych tak łatwo, jak orbitale s. Porównując ich kształty, orbitale p wydają się znajdować bliżej jądra; jednak elektrony ns znajdują się częściej wokół jądra.

Jakie są konsekwencje powyższego? Że elektron np. Doświadcza mniej efektywnego ładunku jądrowego. Co więcej, ta ostatnia jest dodatkowo zmniejszona przez efekt ekranujący orbitali s. To wyjaśnia, na przykład, dlaczego atom z hybrydowymi orbitaliami sp3 jest mniej elektroujemny niż w przypadku orbitali spdwa lub sp.

Należy również zauważyć, że każdy hantel ma kątową płaszczyznę węzłową, ale nie ma węzłów promieniowych (tylko orbitale 2p). Oznacza to, że gdyby został pokrojony w plastry, wewnątrz nie byłoby warstw, jak w przypadku orbity 2s; ale począwszy od orbity 3p, zaczęłyby być obserwowane węzły promieniowe.

Te kątowe węzły są odpowiedzialne za najbardziej zewnętrzne elektrony, które mają słaby efekt ekranowania. Na przykład, elektrony 2p osłaniają te na orbitali 2p w lepszym stopniu niż elektrony 2p osłaniają te na orbicie 3s..

Px, Py i Pz

Ponieważ wartości ml Są to -1, 0 i +1, z których każdy reprezentuje orbital Px, Py lub Pz. W sumie mogą pomieścić sześć elektronów (po dwa na każdy orbital). Fakt ten ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia konfiguracji elektronicznej, układu okresowego i elementów składających się na tak zwany p-blok..

Orbitale d

Źródło: Hanilakkis0528 [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], źródło Wikimedia Commons

Orbitale d mają wartości l= 2 i ml= -2, -1, 0, +1, +2. Dlatego istnieje pięć orbitali, które mogą pomieścić łącznie dziesięć elektronów. Pięć funkcji kątowych orbitali d przedstawiono na powyższym obrazku.

Pierwszy z nich, orbitale 3D, nie posiada węzłów promieniowych, ale we wszystkich pozostałych, z wyjątkiem orbitalu dz2, mają dwie płaszczyzny węzłowe; nie płaszczyzny obrazu, ponieważ pokazują one tylko, w których osiach znajdują się płatki pomarańczy o kształtach liści koniczyny. Dwie płaszczyzny węzłowe to te, które przecinają się prostopadle do szarej płaszczyzny.

Ich kształty sprawiają, że są one jeszcze mniej skuteczne w osłanianiu skutecznego ładunku jądrowego. Dlaczego? Ponieważ mają więcej węzłów, przez które jądro może przyciągać zewnętrzne elektrony.

Dlatego wszystkie orbitale d przyczyniają się do tego, że wzrost promieni atomowych jest mniej wyraźny, przechodząc z jednego poziomu energii na inny..

Orbitale f

Źródło: By Geek3 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], z Wikimedia Commons

Wreszcie orbitale f mają liczby kwantowe o wartościach l= 3 i ml= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Istnieje siedem orbitali f, co daje w sumie czternaście elektronów. Te orbitale stają się dostępne od okresu 6, powierzchownie oznaczonego jako 4f.

Każda z funkcji kątowych reprezentuje płaty o skomplikowanych kształtach i kilku płaszczyznach węzłowych. Dlatego jeszcze mniej osłaniają zewnętrzne elektrony, a to zjawisko wyjaśnia zjawisko znane jako skurcz lantanowców.

Z tego powodu w przypadku ciężkich atomów nie ma wyraźnej zmiany ich promieni atomowych o jeden poziom. n do innego n + 1 (Na przykład 6n do 7n). Do tej pory orbitale 5f są ostatnimi znalezionymi w naturalnych lub sztucznych atomach..

Mając to wszystko na uwadze, otwiera się przepaść między tak zwaną orbitą a orbitalami. Chociaż tekstowo są podobne, w rzeczywistości bardzo się różnią.

Koncepcja orbitalu atomowego i przybliżenie orbity umożliwiły wyjaśnienie wiązania chemicznego i tego, jak może w ten czy inny sposób wpływać na strukturę molekularną.

Bibliografia

  1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Wydanie czwarte, str. 13–8). Mc Graw Hill.
  2. Harry B. Gray. (1965). Elektrony i wiązanie chemiczne. WA. Benjamin, Inc. Nowy Jork.
  3. Quimitube. (s.f.). Orbitale atomowe i liczby kwantowe. Odzyskany z: quimitube.com
  4. Nave C. R. (2016). Wizualizacja orbitali elektronowych. Odzyskane z: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  5. Clark J. (2012). Orbitale atomowe. Źródło: chemguide.co.uk
  6. Opowieści kwantowe. (26 sierpnia 2011). Orbitale atomowe, kłamstwo z liceum. Odzyskany z: cuentos-cuanticos.com

Jeszcze bez komentarzy