V kemiji in fiziki so atomske orbitale funkcija, imenovana valovna funkcija, ki opisuje lastnosti, značilne za največ dva elektrona v bližini atomskega jedra ali sistema jeder, kot v molekuli. Orbitala je pogosto prikazana kot tridimenzionalno območje, znotraj katerega obstaja 95-odstotna možnost, da najdemo elektron.
Orbitali in orbite
Ko se planet giblje okoli Sonca, sledi poti, imenovane orbita. Podobno lahko atom predstavimo kot elektrone, ki krožijo po orbitah okoli jedra. Pravzaprav so stvari drugačne in elektroni so v območjih vesolja, znanih kot atomske orbitale. Kemija se zadovolji s poenostavljenim modelom atoma za izračun Schrödingerjeve valovne enačbe in v skladu s tem določi možna stanja elektrona.
Orbite in orbitale zvenijo podobno, vendar imajo popolnoma različne pomene. Zelo pomembno je razumeti razliko med njima.
Nemogoče prikazati orbite
Če želite narisati pot nečesa, morate natančno vedeti, kje je predmetse nahaja in lahko ugotovi, kje bo v trenutku. Za elektron je to nemogoče.
Po Heisenbergovem principu negotovosti je nemogoče natančno vedeti, kje je delec v tem trenutku in kje bo kasneje. (Pravzaprav načelo pravi, da je nemogoče hkrati in z absolutno natančnostjo določiti njegov zagon in zagon).
Zato je nemogoče zgraditi orbito elektrona okoli jedra. Je to velik problem? št. Če nekaj ni mogoče, je treba to sprejeti in najti načine za zaokrožitev.
vodikov elektron – 1s-orbitala
Predpostavimo, da obstaja en atom vodika in je v določenem trenutku položaj enega elektrona grafično vtisnjen. Kmalu zatem se postopek ponovi in opazovalec ugotovi, da je delec v novem položaju. Kako je prišla s prvega mesta na drugo, ni znano.
Če boste nadaljevali na ta način, boste postopoma oblikovali nekakšen 3D zemljevid, kjer bo delec verjetno bil.
V primeru vodikovega atoma je lahko elektron kjerkoli znotraj sferičnega prostora, ki obdaja jedro. Diagram prikazuje presek tega sferičnega prostora.
95 % časa (ali kateri koli drug odstotek, saj samo velikost vesolja lahko zagotovi stoodstotno gotovost) bo elektron znotraj dokaj enostavno definiranega območja prostora, dovolj blizu jedra. Takšno območje se imenuje orbitala. Atomske orbitale sopodročja vesolja, kjer obstaja elektron.
Kaj počne tam? Ne vemo, ne moremo vedeti, zato ta problem preprosto ignoriramo! Lahko samo rečemo, da če je elektron na določeni orbitali, bo imel določeno energijo.
Vsaka orbitala ima ime.
Prostor, ki ga zaseda vodikov elektron, se imenuje 1s-orbitala. Enota tukaj pomeni, da je delec na energetski ravni, ki je najbližja jedru. S govori o obliki orbite. S-orbitale so sferično simetrične glede na jedro - vsaj kot votla krogla iz dokaj gostega materiala z jedrom v središču.
2s
Naslednja orbitala je 2s. Podobno je 1s, le da je najverjetnejša lokacija elektrona dlje od jedra. To je orbitala druge energetske ravni.
Če natančno pogledate, boste opazili, da je bližje jedru še eno področje z nekoliko večjo elektronsko gostoto ("gostota" je še en način za označevanje verjetnosti, da je ta delec prisoten na določenem mestu).
2s elektroni (in 3s, 4s itd.) nekaj svojega časa preživijo veliko bližje središču atoma, kot bi lahko pričakovali. Posledica tega je rahlo zmanjšanje njihove energije v s-orbitalah. Bolj ko se elektroni približujejo jedru, nižja je njihova energija.
3s-, 4s-orbitale (in tako naprej) so vse dlje od središča atoma.
P-orbitale
Vsi elektroni ne živijo v s orbitalah (pravzaprav jih živi zelo malo). Na prvi energetski ravni je edina razpoložljiva lokacija zanje 1s, na drugi pa sta dodani 2s in 2p.
Orbitali te vrste so bolj kot 2 enaka balona, povezana med seboj v jedru. Diagram prikazuje presek 3-dimenzionalne regije prostora. Ponovno orbitala prikazuje samo območje s 95-odstotno možnostjo, da najdemo en sam elektron.
Če si predstavljamo vodoravno ravnino, ki gre skozi jedro tako, da bo en del orbite nad ravnino, drugi pa pod njo, potem obstaja nična verjetnost, da bomo na tej ravnini našli elektron. Kako torej delec pride iz enega dela v drugega, če nikoli ne more preiti skozi ravnino jedra? To je posledica njegove valovne narave.
Za razliko od s-, ima p-orbitala določeno usmerjenost.
Na kateri koli energijski ravni imate lahko tri popolnoma enakovredne p-orbitale, ki se nahajajo pravokotno druga na drugo. Označeni so poljubno s simboli px, py in pz. To je sprejeto zaradi udobja - kar pomeni smeri X, Y ali Z, se nenehno spreminja, saj se atom naključno giblje v prostoru.
P-orbitale na drugi energijski ravni se imenujejo 2px, 2py in 2pz. Podobne orbitale so na naslednjih - 3px, 3py, 3pz, 4px, 4py,4pz in tako naprej.
Vse ravni, razen prve, imajo p-orbitale. Na višjih ravneh so "cvetni listi" bolj podolgovati, pri čemer je najverjetnejša lokacija elektrona na večji oddaljenosti od jedra.
d- in f-orbitale
Poleg s in p orbital sta elektronom na višjih energijskih nivojih na voljo še dva niza orbital. Na tretji je lahko pet d-orbital (s kompleksnimi oblikami in imeni), pa tudi 3s- in 3p-orbitale (3px, 3py, 3pz). Tukaj jih je skupno 9.
Na četrtem, skupaj s 4s ter 4p in 4d, se pojavi 7 dodatnih f-orbital - skupaj 16, na voljo tudi na vseh višjih energetskih ravneh.
Postavitev elektronov v orbitale
Atom si lahko predstavljamo kot zelo modno hišo (kot obrnjena piramida) z jedrom, ki živi v pritličju in različnimi prostori v zgornjih nadstropjih, ki jih zasedajo elektroni:
- v prvem nadstropju je samo 1 soba (1s);
- v drugi sobi so že 4 (2s, 2px, 2py in 2pz);
- v tretjem nadstropju je 9 sob (ena 3s, tri 3p in pet 3d orbital) in tako naprej.
A sobe niso zelo velike. Vsak od njih lahko vsebuje samo 2 elektrona.
Priročen način za prikaz atomskih orbit, v katerih so ti delci, je risanje "kvantnih celic".
kvantne celice
NuclearOrbitale lahko predstavimo kot kvadrate z elektroni v njih, prikazanimi kot puščice. Puščici navzgor in navzdol se pogosto uporabljata, da pokažeta, da so ti delci različni.
Potreba po različnih elektronih v atomu je posledica kvantne teorije. Če sta v različnih orbitalah, je to v redu, če pa sta v isti orbiti, potem mora biti med njima neka subtilna razlika. Kvantna teorija obdari delce z lastnostjo, imenovano "spin", na katero se nanaša smer puščic.
Orbitala
1s z dvema elektronoma je prikazana kot kvadrat z dvema puščicama, obrnjenima navzgor in navzdol, lahko pa jo zapišemo tudi hitreje kot 1s2. Piše se "ena s dva", ne "ena na kvadrat". Številk v teh zapisih ne smemo zamenjevati. Prva je energijska raven, druga pa število delcev na orbitalo.
Hibridizacija
V kemiji je hibridizacija koncept mešanja atomskih orbital v nove hibridne orbitale, ki lahko združijo elektrone, da tvorijo kemične vezi. Sp hibridizacija pojasnjuje kemične vezi spojin, kot so alkini. V tem modelu se atomske orbitale 2s in 2p mešata, da tvorita dve sp orbitali. Acetilen C2H2 je sestavljen iz sp-sp prepletenosti dveh ogljikovih atomov s tvorbo σ-vezi in dveh dodatnih π-vezi.
Atomske orbitale ogljika v nasičenih ogljikovodikih imajoidentični hibridni sp3-orbitale v obliki uteži, katerih en del je veliko večji od drugega.
Sp2-hibridizacija je podobna prejšnjim in nastane z mešanjem ene s in dveh p-orbital. Na primer, v molekuli etilena nastanejo trije sp2- in ena p-orbitala.
Atomske orbitale: princip polnjenja
Če si predstavljamo prehode iz enega atoma v drugega v periodnem sistemu kemičnih elementov, lahko vzpostavimo elektronsko strukturo naslednjega atoma tako, da postavimo dodaten delec v naslednjo razpoložljivo orbito.
Elektroni, preden zapolnijo višje energetske ravni, zasedajo nižje, ki se nahajajo bližje jedru. Kjer je izbira, zapolnijo orbitale posamezno.
To naročilo za izpolnitev je znano kot Hundovo pravilo. Velja le, če imajo atomske orbitale enake energije, pomaga pa tudi zmanjšati odboj med elektroni, zaradi česar je atom bolj stabilen.
Upoštevajte, da ima s-orbitala vedno nekoliko manj energije kot p orbitala na isti energijski ravni, zato se prva vedno napolni pred slednjo.
Kar je res čuden, je položaj 3d orbital. So na višji ravni od 4s, zato se najprej napolnijo orbitale 4s, nato pa vse 3d in 4p orbitale.
Ista zmeda se pojavi na višjih ravneh z več tkanja vmes. Zato, na primer, atomske orbitale 4f niso zapolnjene, dokler niso vsa mesta na6s.
Poznavanje vrstnega reda polnjenja je ključnega pomena za razumevanje, kako opisati elektronske strukture.
