Ce sunt orbitele atomice?

În chimie și fizică, orbitele atomice sunt o funcție numită undă, care descrie proprietăți caracteristice a nu mai mult de doi electroni în vecinătate a nucleului atomic sau un sistem de nuclee, ca într-o moleculă. Orbitalul este adesea descris ca o zonă tridimensională în care există o probabilitate de 95% de a găsi un electron.

Orbital și orbită

Când planeta se mișcă în jurul Soarelui, ea conturează calea, numită orbită. În mod similar, atomul poate fi reprezentat ca electroni care circulă în orbite în jurul nucleului. De fapt, totul este diferit, iar electronii se află în zone de spațiu cunoscute ca orbite atomice. Chimia este mulțumită de modelul simplificat al atomului pentru calculul ecuației de undă Schrödinger și, în consecință, determinarea stărilor posibile ale electronului.

Orbiturile și orbitele sună asemănătoare, dar au sensuri complet diferite. Este extrem de important să înțelegem diferența dintre ele.

Imposibilitatea imaginii orbitelor

Pentru a construi traiectoria mișcării unui lucru, trebuie să știți exact unde este obiectul și să puteți stabili unde va fi într-un moment. Pentru un electron acest lucru nu se poate face.

Potrivit principiul Heisenberg de incertitudine, Este imposibil să știm exact unde este în prezent particula și unde se va întoarce mai târziu. (De fapt, principiul spune că este imposibil să se determine simultan și cu acuratețe absolută momentul și impulsul său).

Prin urmare, este imposibil să se construiască o orbită a mișcării electronilor în jurul nucleului. Este o problemă mare? Nu, nu este. Dacă ceva este imposibil, ar trebui să fie acceptat și să se găsească modalități de a ajunge în jur.

Electron de hidrogen - 1s-orbital

Să presupunem că există un atom de hidrogen și la un anumit moment captează grafic poziția unui electron. La puțin timp după aceea, procedura se repetă și observatorul descoperă că particula se află într-o poziție nouă. Așa cum a venit de la primul loc în al doilea, nu se știe.

Dacă veți continua să acționați în acest fel, se va forma treptat un fel de hartă 3D a locurilor unde este probabil să se găsească particula.

În cazul atom de hidrogen un electron poate fi localizat oriunde în spațiul sferic din jurul nucleului. Diagrama prezintă secțiunea transversală a spațiului sferic.

95% din timp (sau orice alt procent, deoarece numai dimensiunile universului pot asigura certitudinea absolută), electronul se va afla într-o regiune destul de ușor definită, suficient de apropiată de nucleu. Un astfel de sit este numit orbital. Atât orbitele atomice sunt regiuni ale spațiului în care există un electron.

Ce face acolo? Nu știm, nu putem ști și prin urmare ignorăm pur și simplu această problemă! Putem spune doar că dacă un electron se află într-o anumită orbitală, atunci va avea o anumită energie.

Fiecare orbital are un nume.

Spațiul ocupat de electronul hidrogenului se numește 1s-orbitale. Unitatea de aici indică faptul că particula se află la nivelul de energie cel mai apropiat de nucleu. S vorbește despre forma orbitei. S-orbitalii sunt simetrici sferici în raport cu nucleul - cel puțin ca o bilă goală de material destul de dens, cu un miez în centrul său.

2s

Următoarea orbitală este 2s. Este similar cu 1s, cu excepția faptului că regiunea celei mai probabile poziții de electroni este localizată mai departe de nucleu. Este orbitalul celui de-al doilea nivel de energie.

Dacă vă uitați atent, puteți vedea că mai aproape de nucleu există o altă regiune cu densitate electronică ușor mai mare ("densitatea" este un alt mod de a indica probabilitatea ca această particulă să fie prezentă într-un anumit loc).

2s-electronii (și 3s, 4s, etc.) petrec o parte din timpul lor mult mai aproape de centrul atomului decât s-ar aștepta. Rezultatul este o ușoară scădere a energiei lor în s-orbitalii. Cu cât electronii se apropie de nucleu, cu atât devine mai puțin energia lor.

Cele 3s-, 4s-orbitale (și așa mai departe) sunt situate mai departe de centrul atomului.

P-orbitali

Nu toți electronii locuiesc în s-orbitalii (de fapt, foarte puțini dintre ei sunt acolo). La prima nivel energetic Singura locație disponibilă pentru ei este 1s, pe celelalte 2s și 2p adăugate.

Orbitali de acest tip sunt mai mult ca 2 baloane identice, conectate una pe alta pe miez. Diagrama prezintă secțiunea transversală a unei regiuni tridimensionale a spațiului. Din nou, orbitalul arată doar o regiune cu o probabilitate de 95% de a găsi un electron individual.

Dacă ne imaginăm un plan orizontal care trece prin nucleu astfel încât o parte a orbitei să fie deasupra planului și cealaltă sub ea, atunci există o probabilitate zero la găsirea unui electron în acest plan. Deci cum se obține o particulă dintr-o parte în alta dacă nu poate trece niciodată prin planul de bază? Acest lucru se datorează naturii sale de undă.

Spre deosebire de s-, p-orbita are o direcționalitate definită.

La orice nivel de energie, puteți avea trei p-orbitale absolut echivalente amplasate în unghi drept unul altuia. Ele sunt arbitrar marcate prin simbolurile p_x, r_la și p_z. Deci, este acceptat pentru comoditate - ceea ce se înțelege prin direcțiile X, Y sau Z, se schimbă în mod constant, deoarece atomul se mișcă în spațiu.

P-orbitele la cel de-al doilea nivel de energie sunt numite 2p_x, 2p_la și 2p_z. Există orbite similare, iar ulterior - 3p_x, 3p_y, 3p_z, 4p_x, 4p_y, 4p_z și așa mai departe.

Toate nivelurile, cu excepția primelor, au p-orbitale. Cele mai mari "petale" sunt alungite, cu locația cea mai probabilă a electronului la o distanță mai mare de nucleu.

d- și f-orbitale

Pe lângă orbitele s și p, există și alte două seturi de orbite disponibile pentru electroni la niveluri mai mari de energie. În al treilea rând, existența a cinci d-orbitali (cu forme și nume complexe), precum și 3s și 3p orbitale (3p_x, 3p_y, 3p_z). În total, există 9 dintre ele.

În al patrulea rând, împreună cu 4s și 4p și 4d, apar 7 f-orbite suplimentare - doar 16, disponibile și la toate nivelurile de energie mai mari.

Plasarea electronilor în orbitale

Atomul poate fi imaginat ca o casă foarte bizară (ca o piramidă inversată), cu un nucleu care trăiește la primul etaj și diferite încăperi din etajele superioare ocupate de electroni:

• la primul etaj există doar 1 cameră (1s);
• pe a doua cameră deja 4 (2s, 2p_x, 2p_la și 2p_z);
• la etajul al treilea există 9 camere (un 3s, trei 3p și cinci orbite 3d) și așa mai departe.

Dar camerele nu sunt foarte mari. Fiecare dintre ele poate conține doar 2 electroni.

O modalitate convenabilă de a arăta orbitalii atomici în care sunt localizate aceste particule este de a atrage "celule cuantice".

Celulele cuantice

Atomii orbali pot fi reprezentați sub formă de pătrate cu electroni în ele, reprezentate sub formă de săgeți. Adesea, săgețile orientate în sus și în jos sunt folosite pentru a arăta că aceste particule sunt diferite unul de celălalt.

Necesitatea de a avea diferiți electroni într-un atom este o consecință a teoriei cuantice. Dacă se află pe orbite diferite - este bine, dar dacă sunt situate pe una, atunci trebuie să existe o diferență subtilă între ele. Teoria cuantică împuternicește particule cu o proprietate numită "spin", care este direcția săgeților.

1s-orbita cu doi electroni este reprezentata ca un patrat cu doua sageti orientate in sus si in jos, dar poate fi scris si mai repede ca 1s². Acesta este citit ca "unul cu doi", și nu ca "unul în pătrat". Nu confunda numerele în această notație. Primul reprezintă nivelul de energie, iar al doilea denotă numărul de particule pe orbital.

hibridizare

În chimie, hibridizarea este conceptul de amestecare a orbitalilor atomici în noi hibrizi, capabili de împerecherea electronilor cu formarea legăturilor chimice. Hibridizarea Sp explică legăturile chimice ale compușilor cum ar fi alchinele. În acest model, orbitele atomice ale carbonului 2s și 2p sunt amestecate, formând două orbitale sp. Acetilena C₂H₂ constă în intercalarea sp-sp a doi atomi de carbon cu formarea lui sigma - conexiune și două suplimentare pi - constrângeri.

Atomic orbitale de carbon în hidrocarburi saturate au același hibrid sp³-Orbitale având forma unei gantere, o parte din care este mult mai mare decât cealaltă.

Sp²-hibridizarea este similară cu cea anterioară și se formează prin amestecarea unuia și a două p-orbitale. De exemplu, într-o moleculă de etilenă, trei sp²- și un p-orbital.

Atomic orbital: principiul umplerii

Reprezentând tranzițiile de la un atom la altul în tabelul periodic al elementelor chimice, se poate stabili structura electronică a atomului următor prin plasarea unei particule suplimentare în următorul orbital disponibil.

Electronii, înainte de a umple nivelele mai mari de energie, ocupă partea inferioară, situată mai aproape de miez. Oriunde există o alegere, ele umple orbitele separat.

Acest ordin de umplere este cunoscut ca regula Hund. Se aplică numai atunci când orbitele atomice au energii egale și, de asemenea, ajută la minimizarea repulsiei între electroni, ceea ce face atomul mai stabil.

Trebuie remarcat faptul că s-orbitalii au întotdeauna o energie puțin mai mică decât p la același nivel de energie, astfel încât cei dintâi să umple întotdeauna înaintea celui din urmă.

Ceea ce este cu adevărat ciudat este poziția orbitalilor 3d. Ele sunt la un nivel mai mare decât 4s și, prin urmare, cele patru orbite sunt umplute mai întâi, iar apoi toate orbitele 3d și 4p.

Aceeași confuzie apare și la niveluri mai înalte, cu mai multe intercalări între ele. De aceea, de exemplu, orbaliile atomice 4f nu sunt umplute până când toate locurile pe 6s sunt ocupate.

Cunoașterea ordinii de umplere este esențială pentru înțelegerea modului de descriere a structurilor electronice.