Atomske orbitale v tem, kaj sestavljajo, kako so simbolizirane in vrste

The atomske orbitale so tista področja atoma, ki jih definira valovna funkcija za elektrone. Valovne funkcije so matematični izrazi, dobljeni iz ločljivosti Schrödingerjeve enačbe. Ti opisujejo energetsko stanje enega ali več elektronov v prostoru in verjetnost, da ga najdemo.

Ta fizikalni koncept, ki ga kemiki uporabljajo za razumevanje povezave in periodnega sistema, obravnava elektron kot val in delček ob istem času. Zato se slika sončnega sistema zavrže, kjer so elektroni planeti, ki se vrtijo v orbiti okoli jedra ali sonca..

Ta zastarela vizualizacija je praktična, ko ponazarjamo energetske nivoje atoma. Na primer: krog, obkrožen s koncentričnimi obročki, ki predstavljajo orbite, in njihovi statični elektroni. Pravzaprav je to podoba, s katero je atom predstavljen otrokom in mladim.

Resnična atomska struktura je preveč zapletena, da bi imela celo približno podobo.

Glede na elektron kot valovni delček in reševanje Schrödingerjeve diferencialne enačbe za atom vodika (najpreprostejši sistem vseh), smo dobili znane kvantne številke..

Te številke kažejo, da elektroni ne morejo zasedati nobenega mesta atoma, temveč le tiste, ki spoštujejo stopnjo diskretne in kvantizirane energije. Matematični izraz zgoraj je znan kot valovna funkcija.

Tako smo iz atoma vodika ocenili vrsto energetskih stanj, ki jih vodijo kvantna števila. Ta energijska stanja so bila imenovana atomske orbitale.

Vendar so ti opisali le, kje se nahaja elektron v atomu vodika. Za druge atome, polielektroniko, od helija naprej, smo naredili orbitalno približevanje. Zakaj? Ker je resolucija Schrödingerjeve enačbe za atome z dvema ali več elektroni zelo zapletena (tudi s sedanjo tehnologijo).

Indeks

• 1 Kaj so atomske orbitale?
  • 1.1 Radialna valovna funkcija
  • 1.2 Funkcija kotnega valovanja
  • 1.3 Verjetnost iskanja elektronske in kemijske vezi
• 2 Kako so simbolizirani?
• 3 Vrste
  • 3.1 Orbitale
  • 3.2 Orbitale str
  • 3.3 Orbitale d
  • 3.4 Orbitale
• 4 Reference

Kaj so atomske orbitale?

Atomske orbitale so valovne funkcije, ki so sestavljene iz dveh komponent: radialne in kotne. Ta matematični izraz je zapisan kot:

Ψ_nlml = R_nl(r) · Y_lml(θφ)

Čeprav se na prvi pogled zdi zapleteno, upoštevajte, da so kvantna števila n, l in ml Označeni so z majhnimi črkami. To pomeni, da te tri številke opisujejo orbital. R_nl(r), bolj znan kot radialna funkcija, je odvisna od n in l; medtem ko Y_lml(θφ), kotna funkcija je odvisna od l in ml.

V matematični enačbi so tudi spremenljivke r, razdalja do jedra in θ in φ. Rezultat vseh teh enačb je fizična reprezentacija orbital. Kaj? Tisti, ki je viden na zgornji sliki. Obstaja vrsta orbitalov, ki bodo razloženi v naslednjih poglavjih.

Njegove oblike in oblike (ne barve) izhajajo iz načrtovanja valovnih funkcij v prostoru in njihovih radialnih in kotnih komponent.

Radialna valovna funkcija

Kot je razvidno iz enačbe, R_nl(r) odvisno je od tega n kot od l. Nato je radialna valovna funkcija opisana z glavno energetsko ravnjo in njenimi podravni.

Če bi lahko fotografirali elektron brez upoštevanja njegove smeri, bi lahko opazili neskončno majhno točko. Potem, ob milijonih fotografij, bi lahko podrobno opisali, kako se oblak točk spreminja glede na razdaljo do jedra.

Na ta način lahko primerjamo gostoto oblaka v razdaljah in bližini jedra. Če bi isto operacijo ponovili, vendar z drugo energetsko ravnjo ali pod ravnijo, bi se oblikoval drug oblak, ki bi zaprl prejšnji. Med njima je majhen prostor, kjer se elektron nikoli ne nahaja; to je tisto, kar se imenuje radialno vozlišče.

Tudi v oblakih so regije z višjo in nižjo elektronsko gostoto. Ker postajajo večji in se gibljejo dlje od jedra, imajo več radialnih vozlišč; in tudi razdaljo r kjer se elektron pogosteje giba in je bolj verjetno, da ga najde.

Funkcija kotnega valovanja

Spet iz enačbe je znano, da je Y_lml(θφ) v glavnem opisujejo kvantne številke l in ml. Tokrat sodeluje v magnetnem kvantnem številu, zato je določena smer elektrona v prostoru; in ta naslov se lahko nariše iz matematičnih enačb, ki vključujejo spremenljivke θ in φ.

Zdaj ne nadaljujemo s fotografiranjem, temveč snemamo videoposnetek o poti elektrona v atomu. V nasprotju s prejšnjim poskusom ni znano, kje je točno elektron, ampak kam gre.

Pri gibanju elektron opiše bolj določen oblak; pravzaprav sferična oblika ali ena z režami, kot tiste, ki so vidne na sliki. Tip številk in njihova smer v prostoru so opisani z l in ml.

Obstajajo regije, blizu jedra, kjer elektron ne prehaja in slika izgine. Takšne regije so znane kot kotna vozlišča.

Na primer, če opazimo prvo sferično orbitalo, hitro ugotovimo, da je simetrična v vseh smereh; Vendar pa to ne velja za druge orbitale, katerih oblike razkrivajo prazne prostore. Te je mogoče opaziti pri izvoru kartezične ravnine in v imaginarnih ravninah med režami.

Verjetnost iskanja elektronske in kemične vezi

Za določitev resnične verjetnosti iskanja elektrona v orbiti je treba upoštevati dve funkciji: radialno in kotno. Zato ni dovolj domnevati, da je kotna komponenta, to je ilustrirana oblika orbital, ampak tudi kako se njena elektronska gostota spreminja glede na razdaljo jedra..

Ker pa naslovi (ml) razlikovati eno orbitalno od druge, je praktično (čeprav morda ne povsem pravilno) upoštevati samo njeno obliko. Na ta način je opis kemične vezi pojasnjen s prekrivanjem teh številk.

Primer: primerjalna slika treh orbital je prikazana zgoraj: 1s, 2s in 3s. Opazujte njegova radialna vozlišča znotraj. Orbital 1s nima vozlišča, druga dva imata eno in dve vozlišču.

Pri proučevanju kemijske vezi je lažje imeti v mislih le sferično obliko teh orbital. Na ta način se orbita ns približa drugemu in na daljavo r, elektron bo tvoril vez z elektronom sosednjega atoma. Od tu se pojavljajo več teoretičnih (TEV in TOM), ki pojasnjujejo to povezavo.

Kako so simbolizirani?

Atomske orbitale so izrecno simbolizirane kot: nl_ml.

Kvantna števila prevzamejo celotne vrednosti 0, 1, 2, itd., Vendar simbolizirajo orbitale, ki jih le ostane n numerična vrednost Medtem ko za l, celo število se nadomesti z ustrezno črko (s, p, d, f); in za ml, spremenljivko ali matematično formulo (razen za. \ t ml= 0).

Na primer za orbitalo 1s: n= 1, s = 0 in ml= 0 Enako velja za vse ns orbitale (2s, 3s, 4s itd.).

Da bi simbolizirali preostale orbitale, je treba obravnavati njihove vrste, vsaka z energijskimi ravnmi in lastnimi značilnostmi.

Vrste

Orbitale

Kvantna števila l= 0 in ml= 0 (poleg radialnih in kotnih komponent) opišemo orbitalno kroglasto obliko. To je tista, ki vodi piramido orbitalov začetne slike. Prav tako, kot je razvidno iz slike radialnih vozlišč, lahko pričakujemo, da imajo orbite 4s, 5s in 6s tri, štiri in pet vozlišč..

Za njih je značilno, da so simetrični in da imajo njihovi elektroni močnejši jedrski naboj. To je zato, ker lahko njihovi elektroni prodrejo v notranje plasti in lebdijo zelo blizu jedra, kar na njih pozitivno privlači.

Zato obstaja verjetnost, da lahko 3s elektron prodre v orbitalo 2s in 1s, približuje se jedru. To dejstvo pojasnjuje, zakaj je atom s sp hibridnimi orbitali bolj elektronegativen (z večjo težnjo po privabljanju elektronske gostote sosednjih atomov) kot pa s hibridizacijo sp.³.

Tako so elektroni orbitalij tisti, ki najbolj doživljajo naboj jedra in so energetsko bolj stabilni. Skupaj izvajajo zaščitni učinek na elektrone drugih podravni ali orbitale; to pomeni, da zmanjšujejo realni jedrski naboj Z, ki ga doživljajo najbolj zunanji elektroni.

Orbitale str

P orbitale imajo kvantna števila l= 1 in z vrednostmi ml= -1, 0, +1. To pomeni, da lahko elektron v teh orbitalah poteka v treh smereh, ki so predstavljene kot rumene uteži (glede na zgornjo sliko)..

Upoštevajte, da je vsaka dumbbell postavljena vzdolž kartezijske osi x, in in z. Zato je tista orbitalna p na osi x označena kot p_x; eno na y-osi, str_in; in če kaže pravokotno na ravnino xy, torej na os z, potem je to p_z.

Vse orbitale so pravokotne druga na drugo, kar pomeni, da tvorijo kot 90 °. Tudi kotna funkcija izgine v jedru (izvor kartezijske osi) in obstaja le verjetnost, da se najde elektron v notranjosti rež (katerih elektronska gostota je odvisna od radialne funkcije)..

Slab učinek zaščite

Elektroni teh orbitalov ne morejo prodreti v notranje plasti z enako lahkoto kot s orbitali. Če primerjamo njihove oblike, se zdi, da so p orbitale bližje jedru; vendar se ns elektroni najpogosteje najdejo okoli jedra.

Kaj je posledica zgoraj navedenega? Da ima NP-elektronov nizek efektivni jedrski naboj. Poleg tega se slednje še dodatno zmanjša s presejalnim učinkom orbitalov. To pojasnjuje, na primer, zakaj atom s hibridno orbitalno sp³ manj je elektronegativen kot tisti s sp orbitali² ali sp.

Pomembno je tudi omeniti, da ima vsaka dumbbell kotno vozelno ravnino, vendar brez radialnega vozlišča (2p orbitale nič drugega). To pomeni, da če bi bilo narezano, v njem ne bi bilo plasti, kot je z 2s orbitalom; toda od orbite 3p naprej se bodo začela opazovati radialna vozlišča.

Ta kotna vozlišča so odgovorna za dejstvo, da najbolj oddaljeni elektroni doživljajo slab ščitni učinek. Na primer, 2s elektroni ščitijo tiste 2p orbitale v večji meri kot 2p elektronov od tistih iz 3s orbitalov.

Px, Py in Pz

Od vrednosti ml so -1, 0 in +1, vsak predstavlja Px, Py ali Pz orbital. Skupaj lahko sprejmejo šest elektronov (dva za vsako orbitalno). To dejstvo je ključno za razumevanje elektronske konfiguracije, periodne tabele in elementov, ki sestavljajo tako imenovani blok p.

Orbitale

D orbitale imajo vrednosti l= 2, in ml= -2, -1, 0, +1, +2. Obstaja torej pet orbitalov, ki lahko skupaj zadržijo deset elektronov. Pet kotnih funkcij d orbital je predstavljeno na zgornji sliki.

Prve, 3d orbitale, nimajo radialnih vozlišč, ampak vse ostale, razen orbite d_z2, imajo dve vozliščni ravnini; ne na ravninah slike, ker kažejo le, v katerih osi so oranžni delci postavljeni z oblikami listov detelje. Obe vozliščni ravnini sta tisti, ki se delita pravokotno na sivo ravnino.

Zaradi njihove oblike so še manj učinkoviti pri zaščiti učinkovite jedrske obremenitve. Zakaj? Ker imajo več vozlišč, s katerimi lahko jedro privabi zunanje elektrone.

Zato vse d-orbitale prispevajo k temu, da so atomski polmeri manj izraziti z ene energetske ravni na drugo.

Orbitale

Končno imajo f orbitale kvantno število z vrednostmi l= 3, in ml= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Obstaja sedem f orbitale, za skupno štirinajst elektronov. Te orbite se začnejo uporabljati v obdobju 6, ki je površinsko simbolizirana kot 4f.

Vsaka od kotnih funkcij predstavlja delce z zapletenimi oblikami in več vozliščnimi ravninami. Zato ščitijo še manj zunanjih elektronov in ta pojav pojasnjuje tako imenovano krčenje lantanidov.

Iz tega razloga za težke atome ni izrazite spremembe njihovega atomskega polmera n v drugo n + 1 (Na primer 6n do 7n). Do danes so 5f orbitale zadnje najdene v naravnih ali umetnih atomih.

Z vsem tem v mislih, se brezno odpira med tisto, kar je znano kot orbita in orbitali. Čeprav so dobesedno podobni, so v resnici zelo različni.

Koncept atomske orbite in orbitalni pristop sta omogočila razlago kemijske vezi in kako lahko na tak ali drugačen način vpliva na molekularno strukturo..

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (Četrta izdaja, stran 13-8). Mc Graw Hill.
2. Harry B. Gray. (1965). Elektroni in kemična vezava. W.A. Benjamin, Inc. New York.
3. Quimitube (s.f.). Atomske orbitale in kvantna števila. Vzpostavljeno iz: quimitube.com
4. Ladja C. R. (2016). Vizualizacija elektronskih orbitalov. Vzpostavljeno iz: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Atomske orbitale. Vzpostavljeno iz: chemguide.co.uk
6. Kvantne zgodbe (26. avgust 2011). Atomske orbitale, srednja šola. Izterjano iz: cuentos-cuanticos.com