Što su atomske orbite?

U kemiji i fizici atomske orbitalne funkcije nazivaju se valom koji opisuje svojstva karakteristična za ne više od dva elektrona u blizini atomske jezgre ili sustav jezgri, kao u molekuli. Orbital je često prikazan kao trodimenzionalno područje unutar kojega postoji 95 posto vjerojatnosti pronalaženja elektrona.

Orbitalne i orbite

Kada se planet kreće oko Sunca, ona označava stazu, nazvanu orbiti. Slično tome, atom se može prikazati kao elektroni koji kruže oko orbita oko jezgre. U stvari, sve je drukčije, a elektroni se nalaze u područjima svemira poznatim kao atomske orbite. Kemija je zadovoljna sa pojednostavljenim modelom atoma za izračunavanje jednadžbe vala Schrödinger i, sukladno tome, određivanje mogućih stanja elektrona.

Orbiti i orbiti zvuče slično, ali imaju potpuno drugačija značenja. Izuzetno je važno razumjeti razliku između njih.

Nemogućnost slike orbita

Da biste izgradili putanju pokreta nečega, trebate točno znati gdje je objekt i biti u stanju utvrditi gdje će biti za trenutak. Za elektron se to ne može učiniti.

Prema princip Heisenberga neizvjesnosti, Nemoguće je točno znati gdje je čestica u ovom trenutku i gdje će se dogoditi kasnije. (Zapravo, princip kaže da je nemoguće istodobno i apsolutno odrediti svoj trenutak i zamah).

Stoga je nemoguće konstruirati orbitu elektronskog gibanja oko jezgre. Je li to veliki problem? Ne, nije. Ako je nešto nemoguće, trebalo bi ga prihvatiti i naći načine za kretanje.

Elektrona vodika - 1s-orbital

Pretpostavimo da postoji jedan vodikov atom i u određenom vremenu grafički bilježi položaj jednog elektrona. Ubrzo nakon toga, postupak se ponavlja i promatrač otkriva da je čestica u novom položaju. Kako je došao s prvog mjesta u drugoj, nije poznato.

Ako nastavite djelovati na taj način, postat će oblikovana neka vrsta 3D karte mjesta na kojima će čestica biti pronađena.

U slučaju vodikov atom elektron se može nalaziti bilo gdje unutar sfernog prostora koji okružuje jezgru. Dijagram prikazuje presjek ovog sfernog prostora.

95% vremena (ili bilo kojeg drugog postotka, budući da samo dimenzije Svemira mogu osigurati apsolutnu sigurnost), elektron će biti unutar prilično lako definirane regije prostora dovoljno blizu jezgre. Takvo se mjesto naziva orbitalom. Atomske orbite su područja prostora u kojima postoji elektron.

Što on tamo radi? Ne znamo, ne možemo znati i stoga jednostavno ignoramo ovaj problem! Možemo samo reći da ako je elektron u određenom orbitalu, tada će imati određenu energiju.

Svaki orbital ima ime.

Prostor koji zauzima elektron vodika naziva se 1s-orbitale. Jedinica ovdje označava da je čestica na razini energije koja je najbliža jezgri. S govori o obliku orbite. S-orbiti su sferno simetrični s obzirom na jezgru - barem kao šuplja kuglica prilično gustog materijala s jezgrom u svom središtu.

2s

Sljedeći orbital je 2s. Slično je s 1s, osim što je regija najvjerojatnijeg mjesta elektrona smještena dalje od jezgre. To je orbital druge razine energije.

Ako pogledate usko, možete vidjeti da bliže jezgri postoji još jedno područje nešto viši gustoće elektrona ("gustoća" je još jedan način pokazivanja vjerojatnosti da je ta čestica prisutna na određenom mjestu).

2s-elektroni (i 3s, 4s, itd.) Provode neko svoje vrijeme bliže središtu atoma nego što se očekuje. Rezultat je blago smanjenje njihove energije u s-orbitalima. Što bliže elektronima pristupaju jezgri, to manje njihova energija postaje.

3s-, 4s-orbitali (i tako dalje) nalaze se dalje od središta atoma.

P-orbitale

Nisu svi elektroni nastanjeni s-orbitalima (zapravo, vrlo malo njih postoji). Na prvom mjestu razina energije Jedino dostupno mjesto za njih je 1s, na drugom 2s i 2p su dodani.

Orbitali ove vrste su više slični 2 identična balona, ​​međusobno povezani na jezgri. Dijagram prikazuje presjek trodimenzionalne regije prostora. Opet, orbital pokazuje samo regiju s 95% vjerojatnosti pronalaženja pojedinog elektrona.

Ako zamislimo vodoravnu ravninu koja prolazi kroz jezgru na takav način da će jedan dio orbite biti iznad ravnine, a drugi ispod njega, tada postoji nula vjerojatnost pronalaženja elektrona u toj ravnini. Pa kako se čestica može dobiti od jednog do drugog dijela ako nikad ne može proći kroz jezgru aviona? To je zbog svoje valne prirode.

Za razliku od s-, p-orbit ima određenu usmjerenost.

Na bilo kojoj razini energije, možete imati tri apsolutno istovrijedna P-orbita koji se nalaze pod pravim kutom jedni drugima. Oni su proizvoljno označeni simbolima p_x, r_u i str_z. Dakle, prihvaćen je zbog praktičnosti - što se podrazumijeva uz smjerove X, Y ili Z, stalno se mijenja, budući da se atom nasumično kreće u prostoru.

P-orbiti na drugoj razini energije nazivaju se 2p_x, 2p_u i 2p_z. Postoje slični orbitali i na naknadne - 3p_x, 3P_y, 3P_z, 4p_x, 4p_y, 4p_z i tako dalje.

Sve razine osim prve imaju p-orbite. Viši "latice" su izduženi, s najvjerojatnijim mjestom elektrona na većoj udaljenosti od jezgre.

d- i f-orbitale

Osim s i p orbita, postoje dva druga seta orbita dostupnih za elektrone na višoj razini energije. Na trećem, postojanje pet d-orbita (s složenim oblicima i imenima), kao i 3s i 3p orbitalima (3p_x, 3P_y, 3P_z). Ukupno ih ima 9.

U četvrtom, zajedno s 4s i 4p i 4d pojavljuju se 7 dodatnih f-orbita - samo 16, također dostupnih na svim višim razinama energije.

Postavljanje elektrona u orbite

Atom se može zamisliti kao vrlo bizarna kuća (poput obrnute piramide) s jezgrom koja živi na prvom katu i raznih soba na gornjim katovima koje zauzimaju elektroni:

• na prvom katu je samo 1 soba (1s);
• u drugoj sobi već 4 (2s, 2p_x, 2p_u i 2p_z);
• na trećem katu ima 9 soba (jedan 3s, tri 3p i pet 3d orbita) i tako dalje.

No sobe nisu jako velike. Svaki od njih može sadržavati samo 2 elektrona.

Prikladan način da se prikažu atomske orbite u kojima se te čestice nalaze je izvući "kvantne stanice".

Kvantne stanice

Atomske orbite mogu biti zastupljene u obliku kvadrata s elektrona u njima, prikazan u obliku strelica. Često se pokazuju kako se te čestice razlikuju jedna od druge.

Potreba za različitim elektronima u atomu posljedica je kvantne teorije. Ako su na različitim orbitalima - to je u redu, ali ako se nalaze na jednom, onda mora postojati neka suptilna razlika između njih. Kvantna teorija osnažuje čestice sa svojstvom nazvanim "spin", što je smjer strelica.

1s-orbita s dva elektrona predstavljena je kao kvadrat s dvije strelice koje pokazuju prema gore i dolje, no mogu se pisati čak i brže kao 1s². To se čita kao "jedan s dva", a ne kao "jedan na trgu". Nemojte zbuniti brojeve u ovoj notaciji. Prva označava razinu energije, a druga označava broj čestica po orbitama.

hibridizacija

U kemiji, hibridizacija je koncept miješanja atomskih orbitala u nove hibridne, sposobne elektrone uparivanja s formiranjem kemijskih veza. Sp-hibridizacija objašnjava kemijske veze spojeva kao što su alkini. U ovom modelu, atomske orbite ugljika 2s i 2p se miješaju, tvoreći dva sp orbita. Acetilen C₂H₂ sastoji se od sp-sp isprepletanja dvaju atoma ugljika s formiranjem sigma - veza i dva dodatna pi - ograničenja.

Orbitali atoma ugljika u zasićenim ugljikovodicima imaju isti hibridni sp³-Orbitali imaju oblik bućice, od kojih je jedan dio mnogo veći od drugog.

sp²-hibridizacija je slična prethodnim i formirana je miješanjem jednog s i dva P-orbita. Na primjer, u etilenskoj molekuli, tri sp²- i jedan p-orbital.

Atomske orbite: princip punjenja

Prikazujući prijelaze s jednog atoma u drugi u periodičnoj tablici kemijskih elemenata, može se uspostaviti elektronska struktura sljedećeg atoma stavljanjem dodatne čestice u sljedeći raspoloživi orbital.

Elektroni, prije punjenja viših razina energije, zauzimaju niže, bliže jezgri. Gdjegod postoji izbor, ispunjavaju orbite odvojeno.

Ova redoslijed punjenja poznata je kao pravilo Hund. Primjenjuje se samo kada atomski orbitali imaju jednake energije, a također pomažu da se minimiziraju odbijanje između elektrona, što čini atom stabilnijim.

Treba napomenuti da s-orbiti uvijek imaju nešto nižu energiju od p na istoj razini energije, tako da bivši uvijek ispunjava prije potonje.

Ono što je stvarno čudno je položaj 3d orbita. Oni su na višoj razini od 4s, pa stoga 4s orbitali su ispunjeni prvi, a zatim sve 3d i 4p orbite.

Ista konfuzija se događa na višim razinama s više međusobno povezanih između njih. Stoga, na primjer, atomske orbite 4f nisu ispunjene sve dok nisu zauzeta sva sjedala na 6s.

Poznavanje redoslijeda punjenja je ključno za razumijevanje opisivanja elektroničkih struktura.