Атомні орбіталі в тому, що вони складаються, як вони символізуються і типи

The атомні орбіталі це ті області атома, які визначаються хвильовою функцією для електронів. Хвильові функції є математичними виразами, отриманими з дозволу рівняння Шредінгера. Вони описують енергетичний стан одного або більше електронів у просторі, а також ймовірність його знаходження.

Ця фізична концепція, застосована хіміками для розуміння зв'язку і періодичної таблиці, розглядає електрон як хвилю і частинку одночасно. Тому зображення Сонячної системи відкидається, де електрони є планетами, що обертаються на орбітах навколо ядра або сонця..

Ця застаріла візуалізація є практичною при ілюструванні енергетичних рівнів атома. Наприклад: коло, оточене концентричними кільцями, що представляють орбіти, і їх статичні електрони. Насправді, це образ, яким атом вводять дітей і молодь.

Однак справжня атомна структура є занадто складною, щоб мати навіть її приблизний образ.

Розглядаючи електрон, як хвильову частку, і вирішуючи диференціальне рівняння Шредінгера для атома водню (найпростіша система з усіх), були отримані відомі квантові числа..

Ці цифри вказують на те, що електрони не можуть займати будь-яке місце атома, а тільки ті, які підкоряються рівню стриманої і квантованої енергії. Математичний вираз вищезгаданого відомий як хвильова функція.

Таким чином, з атома водню було оцінено ряд енергетичних станів, керованих квантовими числами. Ці енергетичні стани були названі атомними орбіталями.

Але вони лише описували місцезнаходження електрона в атомі водню. Для інших атомів, поліелектроніки, від гелію і далі, було зроблено орбітальне наближення. Чому? Оскільки дозвіл рівняння Шредінгера для атомів з двома або більше електронами є дуже складним (навіть при сучасній технології).

Індекс

• 1 Які атомні орбіталі?
  • 1.1 Радіальна хвильова функція
  • 1.2 Кутова хвильова функція
  • 1.3 Ймовірність знаходження електронного та хімічного зв'язку
• 2 Як вони символізуються?
• 3 типи
  • 3.1 Орбіталі
  • 3.2 Орбіталі p
  • 3.3 Орбіталі d
  • 3.4 Орбіталі
• 4 Посилання

Що таке атомні орбіталі?

Атомні орбіталі - це хвильові функції, які складаються з двох компонентів: радіальної і кутової. Цей математичний вираз записано як:

Ψ_nlml = R_nl(r) · Y_lml(θφ)

Хоча спочатку може здатися складним, зауважте, що квантові числа n, l і мл Вони позначені невеликими літерами. Це означає, що ці три числа описують орбіталь. R_nl(r), більш відомий як радіальна функція, залежить від n і l; при цьому Y_lml(θφ), кутова функція залежить від l і мл.

У математичному рівнянні є також змінні r, відстань до ядра, θ та φ. Результатом всього цього набору рівнянь є фізичне представлення орбіталей. Що? Той, що видно на зображенні вище. Існує ряд орбіталей, які пояснюються у наступних розділах.

Його форми і конструкції (а не кольори) походять від побудови в просторі хвильових функцій і їх радіальних і кутових компонентів.

Радіальна хвильова функція

Як видно з рівняння, R_nl(r) залежить від цього n станом на l. Потім радіальна хвильова функція описується основним енергетичним рівнем і його підрівнями.

Якщо фотографію можна було б взяти з електрона, не беручи до уваги його напрямок, можна було б спостерігати нескінченно малу точку. Потім, взявши мільйони фотографій, можна було б докладно описати, як хмара точок змінюється на основі відстані до ядра.

Таким чином, щільність хмари можна порівняти на відстанях і близькості ядра. Якщо одна й та ж операція була повторена, але з іншим енергетичним рівнем або підрівнем, буде сформована інша хмара, яка охоплює попередню. Між ними є невеликий простір, де електрон ніколи не знаходиться; це те, що відомо як радіальний вузол.

Крім того, в хмарах є області з більш високою і нижчою електронною щільністю. Оскільки вони стають більшими і рухаються далі від ядра, вони мають більше радіальних вузлів; а також відстань r де електрон рухається частіше і частіше знайде його.

Кутова хвильова функція

Знов, з рівняння відомо, що Y_lml(θφ) в основному описується квантовими числами l і мл. Цього разу вона бере участь у магнітному квантовому числі, тому визначається напрямок електрона в просторі; і ця адреса може бути побудована з математичних рівнянь, які включають змінні θ і φ.

Тепер ми не починаємо фотографувати, а записувати відео про шлях електрона в атомі. На відміну від попереднього експерименту, невідомо, де саме знаходиться електрон, але де він йде.

При русі електрон описує більш певну хмару; насправді сферична форма, або одна з частками, подібна до тих, що видно на зображенні. Тип фігур та їх напрямок у просторі описуються l і мл.

Є області, близькі до ядра, де електрон не проходить і фігура зникає. Такі регіони відомі як кутові вузли.

Наприклад, якщо спостерігається перша сферична орбітальна, то швидко приходить до висновку, що вона симетрична у всіх напрямках; Однак, це не стосується інших орбіталей, форми яких виявляють порожні простори. Їх можна спостерігати у початку декартової площини, а в уявних площинах між частками.

Ймовірність знаходження електронного і хімічного зв'язку

Щоб визначити справжню ймовірність знаходження електрона в орбіті, необхідно враховувати дві функції: радіальну і кутову. Отже, недостатньо припустити кутову складову, тобто проілюстровану форму орбіталей, а також зміни її електронної густини відносно відстані ядра..

Однак, оскільки адреси (мл) розрізняти одну орбіту від іншої, практично (хоча, можливо, не зовсім правильно) враховувати тільки її форму. Таким чином, опис хімічного зв'язку пояснюється перекриттям цих цифр.

Наприклад, порівняльне зображення трьох орбіталей показано вище: 1s, 2s і 3s. Зверніть увагу на радіальні вузли всередині. У орбітальній ділянці 1s відсутній вузол, а два інших мають один і два вузли.

При розгляді хімічного зв'язку легше мати на увазі лише сферичну форму цих орбіталей. Таким чином, орбітальні родини наближаються до іншої і на відстані r, електрон буде утворювати зв'язок з електроном сусіднього атома. Звідси виникають кілька теоретичних (TEV і TOM), які пояснюють це посилання.

Як вони символізуються?

Атомні орбіталі, явно, символізуються як: nl_мл.

Квантові числа приймають цілі значення 0, 1, 2 і т. Д., Але символізують орбіталі тільки їй n числове значення Поки за l, ціле число замінюється відповідною літерою (s, p, d, f); і для мл, змінна або математична формула (окрім мл= 0).

Наприклад, для орбіти 1s: n= 1, s = 0, і мл= 0 Те ж саме відноситься до всіх ns орбіталей (2s, 3s, 4s і т.д.).

Щоб символізувати інші орбіталі, необхідно звернутися до їх типів, кожен з яких має енергетичні рівні і свої власні характеристики.

Типи

Орбіталі

Квантові числа l= 0, і мл= 0 (крім його радіальних і кутових компонентів) описують орбіту сферичної форми. Це той, який очолює піраміду орбіталей початкового зображення. Також, як видно на зображенні радіальних вузлів, можна очікувати, що орбіталі 4s, 5s і 6s мають три, чотири і п'ять вузлів..

Вони характеризуються бути симетричними, а їхні електрони відчувають більший ефективний ядерний заряд. Це пояснюється тим, що їхні електрони можуть проникати у внутрішні шари і зависати дуже близько до ядра, що надає їм позитивну привабливість.

Отже, існує ймовірність того, що 3s електрон може проникнути в орбіталь 2s і 1s, наближаючись до ядра. Цей факт пояснює, чому атом з sp гібридними орбіталями є більш електронегативним (з більшою тенденцією до залучення електронної щільності сусідніх атомів), ніж з гібридизацією sp.³.

Таким чином, електрони орбіталей є такими, які найбільше відчувають заряд ядра і є енергетично більш стабільними. Разом вони надають захисний ефект на електрони інших підрівнів або орбіталей; тобто, вони зменшують реальний ядерний заряд Z, який зазнає більшість зовнішніх електронів.

Орбіталі с

P-орбіталі мають квантові числа l= 1, а зі значеннями мл= -1, 0, +1. Тобто електрон в цих орбіталях може приймати три напрямки, які представлені жовтими гантелями (відповідно до зображення вище)..

Зауважте, що кожна гантель розташована вздовж декартової осі x, і і z. Отже, що орбітальна p, розташована на осі х, позначається як p_x; один на осі у, с_і; і якщо вона вказує перпендикулярно площині xy, тобто на осі z, то тоді p_z.

Всі орбіталі перпендикулярні один одному, тобто вони формують кут 90º. Крім того, кутова функція зникає в ядрі (походження декартової осі), і існує тільки ймовірність знаходження електрона всередині часток (щільність електронів залежить від радіальної функції)..

Низький захисний ефект

Електрони цих орбіталей не можуть проникати через внутрішні шари з такою ж легкістю, як у орбіталей. Порівнюючи їхні форми, р-орбіталі здаються ближче до ядра; однак найбільш часто зустрічаються ns-електрони навколо ядра.

Що є наслідком вищесказаного? Електрон НП відчуває менший ефективний ядерний заряд. Крім того, останній додатково зменшується ефектом скринінгу s орбіталей. Це пояснює, наприклад, чому атом з гібридною орбітальною sp³ він менш електронегативний, ніж з sp орбіталями² або sp.

Важливо також відзначити, що кожна гантель має кутову вузлову площину, але не радіальний вузол (2p орбіталі нічого іншого). Тобто, якщо б він був нарізаний, всередині нього не було б шарів, як з орбітальної 2s; але з орбіти 3p надалі починають спостерігатися радіальні вузли.

Ці кутові вузли несуть відповідальність за те, що зовнішні електрони відчувають поганий захисний ефект. Наприклад, 2s електрони захищають ті з 2p-орбіталей більшою мірою, ніж 2p-електрони, ніж для 3s-орбіталей.

Px, Py і Pz

Оскільки значення мл є -1, 0 і +1, кожен з яких являє собою Px, Py або Pz орбіталь. У загальній складності вони можуть вмістити шість електронів (по два для кожної орбіти). Цей факт має вирішальне значення для розуміння електронної конфігурації, періодичної таблиці та елементів, що складають так званий блок p.

Орбіталі

D орбіталі мають значення l= 2, і мл= -2, -1, 0, +1, +2. Тому існують п'ять орбіталей, здатних утримувати десять електронів в цілому. П'ять кутових функцій d-орбіталей представлені на зображенні вище.

Перші, 3d-орбіталі, не мають радіальних вузлів, але всі інші, крім орбіти d_z2, мають дві вузлові площини; не площини зображення, тому що це тільки показують, в яких осях помаранчеві частки поміщені з формами листя конюшини. Дві вузлові площини - це ті, що розсікають перпендикулярно сірої площині.

Їх форми роблять їх ще менш ефективними в захисті ефективного ядерного навантаження. Чому? Тому що у них більше вузлів, за якими ядро ​​може залучати зовнішні електрони.

Тому всі d-орбіталі сприяють збільшенню атомних радіусів, менш виражених від одного енергетичного рівня до іншого.

Орбіталі

Нарешті, f-орбіталі мають квантове число зі значеннями l= 3, і мл= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Існує сім f орбіталей, загалом чотирнадцять електронів. Ці орбіталі починають з'являтися з 6-го періоду, символізуючи поверхнево як 4f.

Кожна з функцій кута представляє частки з складними формами і декількома вузловими площинами. Тому вони ще менше захищають зовнішні електрони, і це явище пояснює, як відомо скорочення лантаноїдів.

З цієї причини для важких атомів відсутня яскраво виражена варіація їх атомних радіусів рівня n іншому n + 1 (6n до 7n, наприклад). На сьогоднішній день 5f-орбіталі є останніми знайденими в природних або штучних атомах.

Маючи все це на увазі, прірва відкривається між тим, що називається орбітою і орбіталями. Хоча вони точні, вони насправді дуже різні.

Концепція атомної орбіти і орбітальний підхід дозволили пояснити хімічний зв'язок, і як це може так чи інакше вплинути на молекулярну структуру.

Список літератури

1. Shiver & Atkins. (2008). Неорганічна хімія (Четверте видання, стор. 13-8). Mc Graw Hill.
2. Гаррі Б. Грей. (1965). Електрони і хімічне склеювання. W.A. Benjamin, Inc. Нью-Йорк.
3. Quimitube (s.f.). Атомні орбіталі і квантові числа. Отримано з: quimitube.com
4. Корабель С. Р. (2016). Візуалізація електронних орбіталей. Отримано з: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012). Атомні орбіталі. Отримано з: chemguide.co.uk
6. Квантові казки (26 серпня 2011 року). Атомні орбіталі, середня школа лежать. Відновлено з: cuentos-cuanticos.com