Co jsou atomové orbitaly?

V chemii a fyzice jsou atomové orbitály funkce nazývaná vlna, která popisuje vlastnosti charakteristické pro ne více než dva elektrony v okolí atomového jádra nebo systém jader, jako v molekule. Oběžná dráha je často znázorněna jako trojrozměrná oblast, v níž je pravděpodobnost nalezení elektronu 95% pravděpodobné.

Orbitální a orbitální

Když se planeta pohybuje kolem Slunce, načrtne cestu, nazvanou oběžná dráha. Podobně atom může být reprezentován jako elektrony obíhající v oběžných dráhách kolem jádra. Ve skutečnosti je všechno jiné a elektrony jsou v oblastech vesmíru známých jako atomové orbitály. Chemie je spokojena se zjednodušeným modelem atomu pro výpočet Schrödingerovy vlnové rovnice a tedy určení možných stavů elektronu.

Oběžné dráhy a orbitály jsou podobné, ale mají zcela odlišné významy. Je nesmírně důležité pochopit rozdíl mezi nimi.

Neschopnost obrazu oběžných drah

Chcete-li vybudovat trajektorii pohybu něčeho, musíte přesně vědět, kde je objekt, a zjistit, kde bude v okamžiku. Pro elektrony to nelze udělat.

Podle Heisenbergův princip nejistoty, Je nemožné přesně zjistit, kde je tato částicka v tuto chvíli a kde se objeví později. (V principu platí, že není možné současně a absolutně přesně určit jeho moment a hybnost).

Proto není možné konstruovat oběžnou dráhu pohybu elektronů kolem jádra. Je to velký problém? Ne, to není. Pokud je něco nemožné, mělo by být přijato a nalezeno způsoby, jak se obejít.

Elektron vodíku - 1s-orbitální

Předpokládejme, že existuje jeden atom vodíku a v určitém čase graficky zachycuje polohu jednoho elektronu. Krátce poté se postup opakuje a pozorovatel zjistí, že částice jsou v nové pozici. Jak to přišlo z prvního místa ve druhém, není známo.

Pokud budete pokračovat tímto způsobem, pak postupně vytvoří určitou 3D mapu míst, kde se pravděpodobně objeví částicí.

V případě atom vodíku elektron může být umístěn kdekoli uvnitř sférického prostoru obklopujícího jádro. Diagram zobrazuje průřez tohoto sférického prostoru.

95% času (nebo jakékoliv jiné procento, jelikož pouze rozměry Vesmíru mohou zajistit absolutní jistotu), elektron bude v poměrně snadno definované oblasti prostoru dostatečně blízko k jádru. Takové místo je nazýváno orbitální. Atomové orbitaly jsou oblasti prostoru, v nichž existuje elektron.

Co tam dělá? Nevíme, nemůžeme to vědět, a proto prostě ignorujeme tento problém! Můžeme jen říci, že jestliže je elektron v určité oběžné dráze, pak bude mít určitou energii.

Každá orbita má jméno.

Prostor obsazený elektronovým vodíkem se nazývá 1s-orbitale. Jednotka zde označuje, že částic je na úrovni energie nejblíže jádru. S mluví o tvaru oběžné dráhy. S-orbitaly jsou sféricky symetrické vzhledem k jádru - přinejmenším jako dutá koule poměrně hustého materiálu s jádrem uprostřed.

2s

Další orbital je 2s. Je to podobné jako 1s, kromě toho, že oblast nejpravděpodobnější polohy elektronu je umístěna dále od jádra. Jedná se o orbitální druhou úroveň energie.

Pokud se podíváte pozorněji, můžete vidět, že blíže k jádru je další oblast s mírně vyšší elektronovou hustotou ("hustota" je další způsob, jak naznačit pravděpodobnost přítomnosti této částice na určitém místě).

2s-elektrony (a 3s, 4s atd.) Tráví část svého času mnohem blíže ke středu atomu, než by se dalo očekávat. Výsledkem je mírný pokles jejich energie v s-orbitals. Čím blíže se elektrony přibližují k jádru, tím méně se jejich energie stává.

3s-, 4s-orbitals (a tak dále) jsou umístěny dále od středu atomu.

P-orbitály

Ne všechny elektrony obývají s-orbitály (ve skutečnosti je jen málo z nich). Na první úroveň energie Jediné dostupné místo pro ně je 1s, na druhé 2s a 2p jsou přidány.

Orbity tohoto druhu jsou více podobné dvěma identickým balónům, které jsou navzájem propojeny na jádru. Na obrázku je znázorněn průřez trojrozměrného prostoru. Oběžná dráha opět ukazuje pouze oblast s 95% pravděpodobností nalezení jednotlivých elektronů.

Pokud si představíme horizontální rovinu, která prochází jádrem tak, že jedna část oběžné dráhy bude nad rovinou a druhou pod ní, pak je nulová pravděpodobnost nalezení elektronu v této rovině. Tak jak se částic dostane z jedné části do druhé, pokud nikdy nemůže procházet jádrovou rovinou? To je způsobeno jeho povahou vln.

Na rozdíl od s- má p-orbita určitou směrovost.

Na libovolné úrovni energie můžete mít tři naprosto rovnocenné p-orbitály umístěné v pravém úhlu mezi sebou. Jsou libovolně označeny symboly p_x, str_na a p_z. Takže je to přijatelné pro pohodlí - to, co se rozumí směry X, Y nebo Z, se neustále mění, jelikož se atom náhodně pohybuje ve vesmíru.

P-orbitaly na druhé úrovni energie se nazývají 2p_x, 2p_na a 2p_z. Existují podobné orbitály a na následných - 3p_x, 3p_y, 3p_z, 4p_x, 4p_y, 4p_z a tak dále.

Všechny úrovně kromě první mají p-orbitals. Vyšší "lístky" jsou prodloužené, s nejpravděpodobnějším umístěním elektronu ve větší vzdálenosti od jádra.

d- a f-orbitals

Kromě saturačních a p orbitalů jsou k dispozici další dvě sady orbitálů pro elektrony s vyššími energetickými úrovněmi. Ve třetím případě existuje pět d-orbitálů (se složitými tvary a jmény), stejně jako 3s a 3p orbitaly (3p_x, 3p_y, 3p_z). Celkem je 9 z nich.

Ve čtvrté, spolu s 4s a 4p a 4d, se objeví 7 f-orbitálů - pouze 16, které jsou k dispozici také na všech vyšších úrovních energie.

Umístění elektronů do orbitálů

Atom lze představit jako velmi bizarní dům (jako obrácenou pyramidu) s jádrem žijícím v prvním patře a různé místnosti v horních patrech obsazené elektrony:

• v prvním patře je pouze 1 pokoj (1s);
• na druhé místnosti již 4 (2s, 2p_x, 2p_na a 2p_z);
• ve třetím patře se nachází 9 pokojů (jedna 3s, tři 3p a pět 3D orbitálů) a tak dále.

Ale pokoje nejsou příliš velké. Každý z nich může obsahovat pouze 2 elektrony.

Vhodným způsobem, jak ukázat atomové orbitaly, v nichž jsou tyto částice umístěny, je nakreslit "kvantové buňky".

Kvantové buňky

Atomové orbitály mohou být reprezentovány ve formě čtverců s elektrony v nich, které jsou znázorněny ve formě šipek. Často šipky směřující nahoru a dolů slouží k prokázání toho, že tyto částice jsou navzájem odlišné.

Nutnost mít různé atomy v atomu je důsledkem kvantové teorie. Jsou-li na různých orbitech - je to v pořádku, ale pokud se nacházejí na jednom, pak musí být mezi nimi nějaký jemný rozdíl. Kvantová teorie posiluje částice s vlastnostmi nazývanými "spin", což je směr šipek.

1s-oběžná dráha se dvěma elektrony je reprezentována jako čtverec se dvěma šipkami směřujícími nahoru a dolů, ale může být také psán ještě rychleji jako 1s². Toto je přečteno jako "jedno dvě" a nikoliv jako "jedno na náměstí". Nezaměňujte čísla v tomto zápisu. První označuje energetickou hladinu a druhá označuje počet částic na orbitální.

Hybridizace

V chemii je hybridizace koncept smíchání atomových orbitálů s novými hybridními, schopnými spárovat elektrony s vytvářením chemických vazeb. Sp-hybridizace vysvětluje chemické vazby sloučenin, jako jsou alkyny. V tomto modelu jsou atomové orbitály uhlíku 2s a 2p smíchány, tvořící dva sp orbitaly. Acetylen C₂H₂ se skládá z sp-sp spletence dvou atomů uhlíku s tvorbou sigma - připojení a dvě další pi - omezení.

Atomové uhlíkové orbitaly v nasycených uhlovodících mají stejný hybridní sp³-Orbitály mají tvar činky, z nichž jedna je mnohem větší než druhá.

Sp²-hybridizace je podobná předchozí a je tvořena smícháním jednoho a dvou p-orbitálů. Například, v molekule ethylenu, tři sp²- a jeden p-orbitál.

Atomové orbitaly: princip plnění

Představující přechody z jednoho atomu do druhého v periodické tabulce chemických prvků lze vytvořit elektronickou strukturu dalšího atomu umístěním další částice do další dostupné orbitální sítě.

Elektrony před naplněním vyšších energetických úrovní zaujímají nižší, umístěné blíže k jádru. Tam, kde je volba, vyplňují orbitály odděleně.

Tento pořadí vyplňování je známo jako pravidlo Hund. Aplikuje se pouze tehdy, když mají atomární orbitaly stejnou energii, a také pomáhá minimalizovat odpudivost mezi elektrony, což činí atom stabilnější.

Mělo by být poznamenáno, že s-orbitály mají vždy o něco nižší energii než p na stejné úrovni energie, takže první z nich vždy vyplní před druhou.

Co je opravdu zvláštní je pozice 3d orbitálů. Jsou na vyšší úrovni než 4s, a proto jsou nejprve naplněny 4s orbitaly a pak všechny 3D a 4p orbitaly.

Stejná záměna se objevuje na vyšších úrovních s více vzájemnými propleteni. Například atomové orbitály 4f nejsou vyplněny, dokud nebudou obsazena všechna sedadla na 6s.

Znalost řádu vyplňování je zásadní pro pochopení popisu elektronických struktur.